El aluminio es uno de los metales que mayor impacto tiene en nuestras vidas. Sus peculiares propiedades han provocado que en relativamente poco tiempo (fue aislado por primera vez en 1825) se haya impuesto a otros materiales en innumerables aplicaciones industriales, lo que ha provocado que podamos encontrarlo en nuestro entorno cotidiano sin necesidad de rebuscar lo más mínimo. Objetos tan dispares como son las latas de conserva, cerveza o refrescos; la carrocería de algunos coches o el chasis de muchos de nuestros teléfonos móviles y ordenadores portátiles, entre muchos otros dispositivos, están fabricados en aluminio.
Afortunadamente, es uno de los elementos químicos más abundantes en la corteza terrestre (los científicos estiman que esta capa de nuestro planeta contiene un 8% de aluminio). De hecho, en la corteza solo son más abundantes el oxígeno y el silicio, por lo que parece poco probable que vayamos a quedarnos sin él. En cualquier caso, este es solo uno de los muchos datos interesantísimos que nos depara este metal. Os propongo que descubramos juntos por qué merece la pena que lo conozcamos mejor.
Qué es el aluminio, cómo se obtiene y para qué se utiliza
El primer científico que consiguió aislar el aluminio fue el físico y químico danés Hans Christian Ørsted, en 1825. Lo curioso es que, aunque su identificación desde un punto de vista químico se produjo en ese momento, se utiliza desde mucho antes. De hecho, ya en la antigüedad se usaba el alumbre, un compuesto de alúmina (óxido de aluminio) y potasa (hidróxido potásico sólido) que se encuentra en algunas rocas y tierras, para aclarar las aguas turbias y fijar los colores en aplicaciones de tintorería. Incluso se empleaba en medicina como astringente debido a que es una sustancia de sabor amargo que nos produce sequedad al entrar en contacto con nuestra lengua.
Lo interesante es que, aunque se utilizaba, aún no se había identificado con claridad ni se conocían la mayor parte de sus propiedades. Pero a principios del siglo XIX llegaron Ørsted y su hallazgo. Y, después de él, el químico alemán Friedrich Wöhler, que solo dos años más tarde, en 1827, consiguió aislar completamente el aluminio. La diferencia entre lo que consiguieron Ørsted y Wöhler fue que este último logró obtener unas muestras completamente puras, pero este resultado lo alcanzó inspirándose en el trabajo que previamente había realizado el científico danés.
El aluminio es un metal que carece de propiedades ferromagnéticas. El ferromagnetismo es un fenómeno físico algo complejo si queremos definirlo con precisión, pero en este artículo nos basta saber que esta característica del aluminio lo hace inmune a su introducción en un campo magnético, por lo que no experimenta ninguna interacción de naturaleza magnética en estas circunstancias.
El aluminio con el que estamos familiarizados es un isótopo estable conocido como Al-27 cuyo núcleo atómico está constituido por 27 nucleones: 13 protones y 14 neutrones
El aluminio con el que todos estamos familiarizados es en realidad un isótopo estable conocido como Al-27 (su símbolo en la tabla periódica de elementos es Al), cuyo núcleo atómico, por tanto, tiene 27 nucleones: 13 protones y 14 neutrones. Los nucleones son las partículas que conforman el núcleo de un átomo junto a los piones, que son, a su vez, las partículas subatómicas que mantienen unidos a los protones y los neutrones. A grandes rasgos, y sin entrar en detalles demasiado complejos, los piones son los mediadores en la interacción que explica la existencia de la fuerza nuclear fuerte, que es la responsable de mantener cohesionados los protones y los neutrones en el núcleo atómico.
El físico y químico danés Hans Christian Ørsted fue el primero que consiguió aislar el aluminio, en 1825, aunque no en estado puro.
Otro de los isótopos del aluminio que también podemos encontrar en la naturaleza es el Al-26, que tiene un neutrón menos en el núcleo que el Al-27, y que es, curiosamente, radiactivo. El Al-26 se produce en la atmósfera terrestre debido a la interacción de los rayos cósmicos de alta energía con los núcleos de argón. Afortunadamente, la atmósfera actúa como un escudo protector muy eficaz frente a la radiación cósmica, por lo que este tipo de interacciones que dan como resultado elementos radiactivos apenas tienen relevancia sobre la corteza terrestre.
El aluminio podemos encontrarlo bajo la forma de compuestos en buena parte de las rocas de la corteza terrestre, e, incluso, en los animales y las plantas, aunque en estos últimos en cantidades muy pequeñas. Para obtenerlo necesitamos procesar uno de estos dos minerales: la bauxita, del que procede la mayor parte del aluminio, y que suele combinarse, además de con óxido de aluminio, con silicio, hierro y titanio; o la criolita, que es un fluoruro de aluminio y sodio. El problema es que la producción de aluminio tal y como lo conocemos a partir de estos minerales es un proceso muy contaminante porque conlleva la liberación de una gran cantidad de dióxido de carbono. Y, además, requiere que invirtamos en él mucha energía eléctrica.
La técnica que nos permite obtener alúmina u óxido de aluminio a partir de la bauxita se conoce como proceso Bayer y fue patentada en 1888 por el químico austríaco Carl Josef Bayer. El problema es que la alúmina es un óxido que carece de las propiedades que sí podemos encontrar en el aluminio industrial, por lo que es preciso someterla a una transformación adicional que, esta vez sí, nos va a permitir obtener aluminio metálico mediante electrólisis. Este procedimiento fue desarrollado en 1886 de forma independiente, y, curiosamente, simultánea, por el científico estadounidense Charles Martin Hall y el ingeniero francés Paul Louis-Toussaint Héroult, de ahí que se conozca como proceso Hall-Héroult.
El problema es que este último procedimiento provoca, como os he anticipado unas líneas más arriba, la liberación de una gran cantidad de dióxido de carbono como resultado de la degradación de los electrodos que intervienen en la electrólisis de la alúmina. En él se utilizan una cuba revestida de carbón que hace las veces de cátodo y los electrodos de carbón de Soldberg que actúan como ánodos. Como resultado de este proceso la alúmina se descompone en aluminio y oxígeno molecular, y este último elemento actúa sobre los electrodos de carbón del ánodo, degradándolos y generando el dióxido de carbono que resulta tan contaminante.
El profesor Donald Sadoway, del MIT, asegura que este último proceso requiere consumir casi media tonelada de carbón para obtener una tonelada de aluminio. Afortunadamente, dos de los mayores productores de aluminio del mundo, Alcoa y Rio Tinto, han desarrollado un nuevo proceso que permite reemplazar el ánodo de carbón, que es el elemento que se degrada y provoca la liberación del dióxido de carbono, por un compuesto inerte cuya composición no han dado a conocer. Al reemplazar los antiguos electrodos de carbón por estos nuevos, que no se ven alterados durante el proceso Hall-Héroult, solo se libera oxígeno, y no dióxido de carbono. Al parecer, esta tecnología ya ha demostrado su validez porque está siendo utilizada a pequeña escala, aunque no será aplicada a gran escala, según Alcoa y Rio Tinto, hasta 2024.
Buena parte del aluminio que podemos encontrar en el mercado actualmente se extrae de la bauxita gracias a los procesos Bayer y Hall-Héroult.
Ya conocemos con cierta precisión qué es el aluminio y cómo lo obtenemos, pero aún no hemos abordado algo muy importante: para qué se utiliza. Sus propiedades fisicoquímicas, en las que indagaremos en la siguiente sección del artículo, permiten utilizarlo en estado puro para fabricar espejos de muy alta calidad, como los que se usan en los telescopios reflectores; la industria aeronáutica lo emplea en forma de aleación para fabricar el fuselaje, las alas y los deflectores de los aviones, entre otros elementos; en automoción se utiliza para fabricar el chasis y la carrocería de algunos coches, normalmente de gama alta; en arquitectura se usa para fabricar estructuras portantes; también se emplea para producir electrodomésticos y utensilios de cocina; latas de conservas, refrescos y cerveza; en el papel de aluminio que utilizamos para envolver alimentos; en el chasis de algunos de los dispositivos electrónicos que usamos en nuestro día a día, como ordenadores portátiles, smartphones o tablets, y un larguísimo etcétera. Sus aplicaciones, como veis, son muy numerosas, tanto que las que he enumerado son solo unas pocas de aquellas en las que el aluminio es el ingrediente principal.
Estas son las propiedades que lo hacen tan atractivo
Las razones por las que el aluminio es un material tan interesante para unas industrias tan diferentes como son la aeronáutica, la automoción, la electrónica de consumo o la arquitectura, entre otras, tienen su origen en las peculiares propiedades físicas, químicas y mecánicas de este elemento. Una de sus características con la que todos estamos familiarizados es su ligereza debido a que tiene una densidad de solo 2,70 g/cm3, que es bastante reducida para tratarse de un metal. Además, es relativamente blando y maleable, lo que permite manipularlo y mecanizarlo con sencillez para fabricar con él las piezas y herramientas que necesitemos.
Otra propiedad interesante del aluminio es que puede ser casi tan brillante como la plata debido a que absorbe la radiación ultravioleta y refleja todo el espectro de luz visible, de ahí que en estado puro pueda utilizarse para fabricar espejos de alta calidad como los usados en algunos telescopios, como os adelanté unos párrafos más arriba. Por otro lado, no es magnético, no entra en combustión con facilidad, tiene una conductividad eléctrica muy atractiva (el 59% de la que tiene el cobre pero solo con un 30% de su densidad) y su coeficiente de conductividad térmica es muy elevado, lo que lo hace ideal para aquellas aplicaciones en las que es necesario disipar mucha energía en forma de calor.
Ya hemos descrito muchas propiedades interesantes de este metal, pero aún no hemos acabado. El aluminio también destaca por su capacidad de comportarse como un superconductor, aunque para alcanzar este estado es necesario someterlo a unas condiciones muy exigentes, algo que comparte con otros metales. Su temperatura crítica es 1,2 grados kelvin, que equivale a la monstruosidad de -271,95 grados centígrados, y tiene un valor de campo magnético crítico de 100 gauss. También tiene una excelente resistencia a la corrosión gracias a su capa natural de óxido de protección, que, curiosamente, puede ser intensificada utilizando procedimientos de oxidación industriales. Y no es tóxico, de ahí que pueda ser utilizado en aplicaciones alimentarias como son la producción de latas para conservas o bebidas, o papel para envolver y proteger los alimentos.
Una última cualidad que no podemos pasar por alto consiste en que el aluminio es 100% reciclable. Este porcentaje no es en absoluto ninguna exageración. Se puede reciclar sin perder un solo gramo de material una y otra vez de una manera casi infinita. Esta propiedad tiene un impacto muy beneficioso en el medio ambiente, sobre todo si tenemos presente que los métodos de producción de aluminio que utilizamos actualmente son muy contaminantes.
Este es el aspecto que tiene un lingote de aluminio industrial de alta pureza.
El aluminio «nuevo», el que obtenemos a partir de la bauxita mediante los procesos Bayer y Hall-Héroult, se conoce como aluminio primario, pero una vez que se recicla se denomina aluminio secundario. Lo interesante es que este cambio de nombre no tiene ninguna relevancia desde un punto de vista práctico porque el aluminio secundario tiene exactamente las mismas propiedades fisicoquímicas que el aluminio primario. Y, por tanto, también tiene la misma calidad, por lo que puede ser reutilizado para fabricar nuevos productos que serán indistinguibles de aquellos elaborados a partir de aluminio primario.
Por estas razones apuestan por él las marcas de electrónica de consumo
El aluminio es el material que eligen muchos fabricantes de ordenadores portátiles, tablets y smartphones, entre otros dispositivos, a la hora de poner a punto el chasis de sus modelos de las gamas alta y prémium. En las gamas de entrada y media suele imponerse el policarbonato, un polímero al que los usuarios habitualmente identificamos como plástico, pero cuando se trata de elegir un material que transmita al usuario la sensación de tener un producto mimado y con un acabado lujoso la elección suele recaer en el aluminio, el vidrio, el magnesio o la fibra de carbono. Incluso algunos equipos, como, por ejemplo, el ThinkPad X1 Extreme de Lenovo, combinan dos de estos materiales (el chasis de este ordenador portátil es de fibra de carbono y aluminio).
Una de las razones por las que las marcas eligen el aluminio probablemente se apoya en el hecho de que algunos usuarios lo perciben como un material atractivo desde un punto de vista estético y táctil. No obstante, los motivos más interesantes para elegir este material, y las razones por las que muchas marcas y usuarios se decantan por él, derivan de algunas de las propiedades de las que hemos hablado en la sección anterior de este artículo. Y es que estas características realmente tienen un impacto beneficioso en nuestra experiencia como usuarios y pueden contribuir a incrementar el valor añadido de algunos productos.
Si nos ceñimos a su utilización en el ámbito de la electrónica de consumo para poner a punto los chasis de algunos de nuestros dispositivos el aluminio es valioso por su alto coeficiente de conductividad térmica. Este parámetro se representa con el símbolo ‘λ‘ y mide la capacidad de transportar energía en forma de calor que tiene un material. El aluminio tiene un coeficiente mucho más alto (λ = 237) que otros materiales no metálicos, como los termoplásticos, que en el mejor de los casos alcanzan un valor λ = 20 si se combinan con aditivos como el grafito o el nitrato de boro; la madera (λ = 0,13) o el corcho (λ = 0,03-0,04).
Otros metales, como el cobre, tienen un índice de termoconductividad más alto, pero también son más densos, lo que los desaconseja en algunas aplicaciones en las que el aluminio se siente «como pez en el agua»
Esto le permite evacuar con mucha más eficacia la energía disipada en forma de calor por los componentes de los dispositivos electrónicos que más consumen, como la GPU, la CPU o la pantalla. Hay metales que tienen un índice de termoconductividad más alto que el aluminio, como, por ejemplo, el cobre (λ = 372,1-385,2). Sin embargo, en este contexto el cobre es menos atractivo porque es más denso que el aluminio, y, por tanto, también más pesado. Y, sobre todo, es mucho más caro.
Xiaomi es uno de los fabricantes de dispositivos electrónicos que apuesta por el aluminio en el chasis de algunos de sus productos. El portátil de esta fotografía es el Mi Laptop Air de 2018.
El aluminio también es valioso por su elevada rigidez, una característica que contribuye a la protección de los delicados componentes electrónicos alojados en el interior del chasis de nuestros dispositivos. Además, como hemos visto, es ligero gracias a su reducida densidad (si lo comparamos con otros metales) y resiste muy bien la corrosión. Y puede manipularse con relativa sencillez y mecanizarse con precisión siempre y cuando se utilice la maquinaria adecuada.
Por último, dada su condición de metal con una alta capacidad de conducción eléctrica, consigue proteger con eficacia de la electricidad estática los componentes electrónicos más delicados alojados en el interior del chasis. Como hemos visto, hay otros materiales que también son interesantes en el ámbito de la electrónica de consumo para la fabricación de chasis, pero el aluminio tiene bazas muy atractivas. Y también cierto encanto.
Imágenes | Bloque de aluminio | Romary
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