El desarrollo tecnológico que hemos alcanzado ha sido propiciado por nuestra capacidad de innovar, pero al mismo tiempo ha estado profundamente condicionado por los recursos que hemos necesitado para ejecutarlo.
De algunos de los elementos que nos han ayudado a alcanzar la madurez tecnológica que tenemos actualmente os hemos hablado con bastante profundidad en otros artículos, pero hay otros que con toda probabilidad soportarán nuestro desarrollo tecnológico en el futuro.
El cobalto, el paladio o el coltán, que son algunos de los recursos de los que ya os hemos hablado, van a seguir siendo muy importantes durante mucho tiempo, pero no cabe duda de que en el futuro van a compartir protagonismo con otros elementos cuyo peso específico se está incrementando a un ritmo vertiginoso, y de los que en gran medida dependerá nuestro desarrollo tecnológico futuro.
De hecho, algunos de ellos ya tienen un papel fundamental en varias de las industrias sobre las que se erige la economía mundial. Este artículo está dedicado a cinco de esos recursos. Lo que os proponemos no es otra cosa que repasar juntos para qué los utilizamos (o los utilizaremos), por qué serán aún más relevantes en el futuro, y, sobre todo, en qué regiones del planeta se encuentran (ahí va un pequeño espóiler: uno de ellos no se encuentra en nuestro planeta).
Su ubicación geográfica es crucial porque representan una fuente de riqueza muy valiosa que con frecuencia no está en manos de las principales potencias tecnológicas. Esperamos que os apetezca acompañarnos en este viaje.
El litio es muy codiciado hoy, y lo será aún mucho más en el futuro
El indiscutible protagonismo que van a adquirir los vehículos eléctricos durante los próximos años va a colocar al litio como uno de los recursos más valiosos del planeta. De eso no cabe la menor duda.
Su relevancia está provocando que las compañías de la industria del automóvil estén desarrollando estrategias para aprovisionarse de este elemento químico con la anticipación que requiere la inminente «explosión» del coche eléctrico. Tesla es una de esas compañías.
Las propiedades fisicoquímicas del litio lo hacen idóneo para intervenir en la fabricación de las baterías
Lo que hace al litio tan especial son sus peculiares propiedades fisicoquímicas. El propósito de este artículo no es indagar en ellas, pero nos viene bien recordar que es un elemento químico muy atractivo para intervenir en el electrolito tanto de las baterías de iones de litio con electrolito líquido, bajo la forma de sales de litio, como en las que utilizan un electrolito sólido de naturaleza cerámica, en este caso adoptando la forma de óxido de litio. También suele estar presente en el electrodo positivo de la batería (el electrodo negativo suele ser mayoritariamente de grafito).
Las baterías de iones de litio se han impuesto de una forma muy rotunda a las demás tecnologías de baterías, como las de níquel-cadmio o las de níquel e hidruro metálico, entre otras, gracias a su casi total inmunidad al efecto memoria, su alta densidad energética, su relativa ligereza y a una degradación de los electrodos lenta y gradual que les permite alcanzar una vida útil prolongada. No obstante, también tienen puntos débiles.
La democratización del coche eléctrico provocará que la industria de la automoción consuma grandes cantidades de litio para autoabastecerse de baterías.
El más relevante es su gran sensibilidad a los cambios de temperatura en general. El valor óptimo de trabajo es 25 ºC, de manera que cuando la temperatura se aleja de esta cifra tanto por debajo como por encima, la degradación de la batería se incrementa.
Otro hándicap importante de las baterías de iones de litio que a los usuarios nos interesa tener en cuenta es que se degradan cuando se produce una descarga completa, por lo que en la medida de lo posible lo ideal es mantenerlas con una carga que se mueva permanentemente entre el 20 y el 80%.
Este elemento químico es relativamente abundante en nuestro planeta, aunque no se encuentra en estado libre, por lo que está presente de forma natural en los compuestos que podemos encontrar en las sales y las rocas ígneas.
Los científicos creen que el agua del mar contiene aproximadamente 230 000 millones de toneladas de litio en una concentración que oscila entre 0,14 y 0,25 partes por millón, y también consideran que constituye alrededor del 0,002% de la corteza terrestre. Y, por fin, llegamos a la pregunta del millón: ¿dónde están las mayores reservas de litio conocidas?
No es fácil estimarlo con precisión, pero según los registros del Servicio Geológico de Estados Unidos las mayores reservas conocidas están en Chile, Australia, Argentina y China.
Otros países que también tienen unas reservas de litio notables son Estados Unidos, Canadá, Zimbabue, Brasil y Portugal, aunque los técnicos creen que sus depósitos no son tan abundantes como los de los cuatro primeros países que he citado en este párrafo.
El cobalto va de la mano del litio en las baterías
El rol del cobalto en las baterías es crucial: incrementa el rendimiento del litio
Además de los puntos débiles que hemos repasado en la sección anterior las baterías de iones de litio tienen otros hándicaps que también nos interesa conocer. Los más relevantes son la posibilidad de sobrecalentarse hasta el punto de llegar a explotar si se dan unas determinadas condiciones (todos recordamos lo que sucedió a Samsung con su controvertido Galaxy Note 7); soportan un número de ciclos de carga y descarga inferior a las baterías de níquel-cadmio y similar a las de níquel-metal hidruro; si la temperatura ambiental es muy baja su rendimiento puede reducirse hasta un 25%, y, además, su fabricación es cara, aunque su coste se ha reducido durante los últimos años gracias a su producción masiva.
En las baterías el cobalto se utiliza para incrementar sensiblemente el rendimiento del litio, lo que hace posible dilatar la autonomía de nuestros dispositivos, que es lo que todos queremos. De hecho, esta aplicación del cobalto se ha empezado a explotar de forma masiva durante los últimos dos o tres años, por lo que hasta ese momento este metal era adquirido mayoritariamente a quien se encarga de su extracción por las empresas que se dedican a la fabricación de aleaciones para aplicaciones industriales.
El cobalto se utiliza en el electrodo positivo de las baterías, aplicándose en forma de óxido para dar forma a una matriz o un sustrato sobre el que se depositan unos pequeños parches de óxido de litio. De esta manera es posible obtener una capacidad de almacenamiento que es casi tres veces mayor que la de las baterías de iones de litio que no recurren al cobalto. Además, su capacidad se reduce solo un 1,8% después de completar unos 130 ciclos de carga, lo que no está nada mal.
El 60% del cobalto mundial se extrae de las minas de la República Democrática del Congo
Ya sabemos para qué se utiliza este elemento químico en el escenario que lo va a consolidar como un recurso muy valioso durante los próximos años, por lo que ahora nos queda preguntarnos dónde está. Según el Instituto de Desarrollo del Cobalto (CDI), una organización internacional sin ánimo de lucro que se creó en 1982 para defender la producción y el uso responsable de este metal, en torno al 60% del cobalto mundial es extraído de las minas de la República Democrática del Congo. Curiosamente, este país africano alberga también una de las mayores reservas de coltán, cobre y níquel del mundo.
El CDI también apunta que el 45% de todo el cobalto que se extrae se utiliza en la fabricación de baterías de iones de litio. Canadá, Australia, Filipinas, Cuba, Zambia, Rusia y Nueva Caledonia también tienen minas de cobalto, pero su aportación a la producción mundial es muy inferior a la de la República Democrática del Congo. De hecho, la de cada uno de estos países oscila entre el 3 y el 6% del total.
Estas cifras son importantes porque pueden ayudarnos a entender la relevancia que ha adquirido el mercado del cobalto para los fabricantes de dispositivos electrónicos y baterías.
De hecho, la necesidad de obtener el suministro que necesitan para mantener sus niveles de producción ha contribuido a sostener la inestabilidad que asola desde hace años no solo la región del Congo, sino también algunos de los países fronterizos, como Ruanda, en los que hay grupos armados que también tienen interés en hacerse con el control de las minas de coltán, níquel y cobalto.
El boro ya es apreciado, y es muy probable que en el futuro lo sea mucho más
En la corteza terrestre el boro es relativamente escaso. Podemos encontrarlo en rocas como el bórax o la colemanita, que se forman de manera natural debido a la evaporación del agua rica en sales de algunos lagos sometidos a altas temperaturas y ubicados en zonas desérticas.
Las peculiares propiedades fisicoquímicas del boro nos permiten utilizarlo en un abanico de aplicaciones amplísimo
También lo podemos encontrar disuelto en el agua del mar debido a la precipitación de las partículas de boro suspendidas en la atmósfera, así como a la erosión de las rocas que lo contienen y a su circulación a través del ciclo hidrológico, que explica cómo el boro disuelto en agua es transportado hasta los océanos por las escorrentías.
Es un semiconductor, lo que significa que dependiendo de las condiciones de presión, temperatura, radiación u otras a las que lo expongamos se comportará como un conductor de la corriente eléctrica o como un aislante. Y, además, es un semimetal, por lo que tiene tanto algunas de las propiedades características de los metales como otras de los no metales.
Sus propiedades fisicoquímicas nos permiten utilizarlo en un abanico de aplicaciones muy amplio, pero lo que posiblemente lo hará muy apreciado durante las próximas décadas es la posibilidad de utilizarlo para fabricar borofeno.
Para obtener una lámina de este material es necesario lograr que los átomos de boro adopten una estructura bidimensional monocapa. Esto significa, sencillamente, que es necesario enlazarlos de manera que formen una única capa de átomos de boro con un espesor de un solo átomo.
Para lograrlo se utiliza un procedimiento conocido como deposición química de vapor, que consiste en conseguir que un gas muy caliente que contiene átomos de boro se condense sobre una superficie muy homogénea de plata pura. Esta última está a una temperatura muy inferior a la del gas con el objetivo de que el boro cristalice sobre ella, adoptando la forma de una única y finísima capa de átomos.
Las características que permiten al borofeno erigirse como un material con un futuro muy prometedor son su flexibilidad, su extrema dureza (es más duro que el diamante), su ligereza, su excelente conductividad eléctrica y su alto índice de conductividad térmica.
El boro aparece en rocas como el bórax o la colemanita, y también disuelto en el agua del mar.
Además, bajo las condiciones de presión y temperatura adecuadas se comporta como un superconductor, tiene una gran capacidad de captura de átomos de hidrógeno y es capaz de actuar como reactivo, por lo que, en teoría, podrá utilizarse en numerosas reacciones químicas. Como veis, la retahíla de propiedades interesantes que tiene el borofeno es bastante impresionante.
La reserva de boro de Turquía satisface por sí sola la mitad de la demanda mundial
Una de las aplicaciones que los técnicos que están trabajando con este material tienen mejor atadas consiste en que gracias a su ligereza, alta conductividad y elevada capacidad de transporte de iones es un candidato ideal para fabricar los electrodos de las baterías de iones de litio, sodio, potasio, magnesio o aluminio que utilizamos actualmente.
Además, su alta capacidad de almacenamiento de hidrógeno en el futuro podría tener un rol fundamental en el desarrollo de nuevas pilas de combustible, entre otras posibles aplicaciones.
Pero aún nos queda una pregunta importante por responder: ¿dónde están localizados los principales depósitos de boro? El mayor productor mundial de este elemento químico es Turquía, un país que satisface por sí solo la mitad de la demanda mundial de este recurso.
Otros países que, de acuerdo con el Servicio Geológico de Estados Unidos, tienen depósitos de boro importantes son Estados Unidos, Rusia, Chile y China, aunque las reservas de todos ellos son sensiblemente más reducidas que las de Turquía.
El estaño se postula como un ingrediente esencial en los futuros paneles fotovoltaicos
Las perovskitas son el santo grial de las tecnologías fotovoltaicas. Esta denominación describe una familia de materiales cuya estructura cristalina es similar a la de un material llamado titanato de calcio.
Las perovskitas aspiran a revolucionar las tecnologías fotovoltaicas del futuro
Las perovskitas fueron descubiertas a finales del siglo XIX por el científico ruso Lev Alekseyevich von Perovski, y su enorme interés en las tecnologías fotovoltaicas procede de unas propiedades que las hacen óptimas desde el punto de vista teórico para convertir la energía solar en energía eléctrica. Hay una propiedad que tiene que tener un semiconductor para que sea óptimo, al menos en teoría, que se conoce como el gap de energía.
Es un concepto que viene de la física cuántica e identifica la mínima energía que puede absorber un material. Para que la célula solar que queremos fabricar con ese material sea óptima tiene que estar en el entorno de 1,5 electronvoltios (eV), y hay una familia de materiales perovskita que tiene esa propiedad.
Además, esos materiales absorben muy bien la radiación solar, por lo que hace falta muy poco material para que absorba la radiación del Sol. Estas dos condiciones hacen a las perovskitas candidatos óptimos. Pero también concurren otras circunstancias.
Los elementos químicos con los que las podemos fabricar son muy abundantes en la corteza terrestre (carbón, nitrógeno, hidrógeno, plomo…), y, además, producirlas es fácil y barato. Confluyen muchos factores favorables, pero también tienen inconvenientes.
El más relevante de todos ellos consiste en que las perovskitas que mejor funcionan son las que tienen plomo, y es un elemento muy contaminante. De hecho, hay países de Europa que directamente lo tienen prohibido, como Suiza.
Y este hándicap es el que ha provocado que entre en la ecuación el elemento químico que nos interesa en este artículo: el estaño. Los grupos de investigación que están trabajando con perovskitas proponen reemplazar el plomo por estaño, pero al hacerlo las células solares no son tan buenas porque tienen una eficiencia mucho más baja. Este es uno de los peros.
La otra desventaja es que se degradan muy rápidamente en contacto con el ambiente. Son muy sensibles a la humedad, al calor y a cualquier agente ambiental.
Las perovskitas absorben muy bien la radiación, por lo que hace falta muy poco material para que absorba la radiación del Sol.
Para que sean estables las perovskitas necesitan estar perfectamente herméticas y encapsuladas, algo que no es especialmente complejo debido a que las células de silicio también están encapsuladas, pero no es tan sencillo hacerlo como con el silicio.
Estas son las limitaciones que hay en este momento, pero los científicos están trabajando para resolver los desafíos que plantean las perovskitas que contienen estaño.
Los mayores depósitos de estaño del planeta se encuentran en China
Ignacio Mártil de la Plaza, doctor en física y catedrático de electrónica en la Universidad Complutense de Madrid que dedica su actividad docente e investigadora a las tecnologías avanzadas en células solares, nos confirmó durante la conversación que mantuvimos con él hace varias semanas que si los técnicos consiguen resolver las escasas contraindicaciones que tienen las perovskitas que contienen estaño lograrán revolucionar las tecnologías fotovoltaicas durante los próximos años.
Como hemos visto, los elementos químicos con los que podemos fabricarlas son muy abundantes en la corteza terrestre, pero el ingrediente que nos ha traído hasta aquí es el estaño. De acuerdo con el Servicio Geológico de Estados Unidos los mayores depósitos de este recurso residen en China, aunque también cuentan con reservas importantes Indonesia, Brasil, Australia, Bolivia y Rusia, entre otros países.
El helio-3 será un recurso clave en la fusión nuclear
Para que la fusión nuclear comercial llegue a buen puerto los técnicos que están trabajando en ella deberán sortear numerosos retos. Aun así, si todo sale como está previsto las primeras centrales eléctricas equipadas con reactores de fusión nuclear deberían estar listas durante la década de los años 60.
Los dos elementos químicos que intervendrán en las reacciones de fusión que tendrán lugar dentro de los reactores son el deuterio y el tritio, dos isótopos del hidrógeno cuyos núcleos, al ser sometidos a temperaturas cercanas a los doscientos millones de grados Celsius, comienzan a fusionarse.
Cuando se produce la fusión obtenemos un núcleo de helio-4, que tiene dos protones y dos neutrones, y un neutrón de alta energía que queda libre. Al mismo tiempo se produce la liberación de una gran cantidad de energía. El núcleo de helio-4 es estable, y, por tanto, no es radiactivo, pero con el neutrón de alta energía tenemos un problema.
Y es que como tiene carga eléctrica neutra (los quarks que lo forman sí tienen carga eléctrica, pero su suma es cero), no puede ser confinado por el campo magnético que retiene al plasma y acaba chocando con las paredes del contenedor, que estarán recubiertas de litio con el objetivo de generar nuevo tritio que se reutilizará en la reacción de fusión.
Si el itinerario previsto por los países que participan en ITER se cumple las primeras centrales eléctricas equipadas con un reactor de fusión nuclear estarán listas durante la década de los 60.
Desde el punto de vista de la gestión de los residuos esta estrategia plantea un problema: los neutrones de alta energía pueden chocar con los núcleos de las paredes del contenedor, degradando así el material y volviéndolo radiactivo.
Esto implica no solo que sea necesario reemplazar el contenedor cada vez que se haya degradado lo suficiente para que no sea seguro llevar a cabo la fusión nuclear en su interior, con el gasto que conlleva, sino también gestionar los residuos radiactivos resultantes de la interacción de los neutrones de alta energía con los núcleos de las paredes del contenedor.
Los científicos que están trabajando en el proyecto IFMIF-DONES (International Fusion Materials Irradiation Facility-DEMO Oriented NEutron Source) intentan resolver, o, al menos, atenuar este problema. En cualquier caso, plantea un desafío muy inferior al que actualmente nos obliga a enfrentarnos la gestión de los residuos resultantes de la fisión nuclear. Y, por fin, una vez que hemos llegado a este punto entra en acción el auténtico protagonista de esta sección del artículo: el helio-3.
Un núcleo de este isótopo del helio está constituido por dos protones y un neutrón. Si en el proceso de fusión nuclear reemplazamos el núcleo de tritio, que es radiactivo, por un núcleo de helio-3, que no lo es, y somos capaces de recrear las condiciones necesarias para que el núcleo de helio-3 se fusione con el núcleo de deuterio, que tiene un protón y un neutrón, obtendremos un núcleo de helio-4, un protón y se liberará mucha energía.
El resultado de la fusión nuclear entre un núcleo de helio-3 y un núcleo de deuterio es el mismo de la fusión de un núcleo de tritio y un núcleo de deuterio, pero en vez de liberarse un neutrón se libera un protón. Y como esta última partícula tiene carga positiva puede quedar confinada en el interior del campo magnético utilizado para atrapar el plasma ionizado dentro del contenedor, evitando de esta forma que impacte con los núcleos de las paredes y previniendo así su degradación.
Además, la utilización de helio-3 como sustituto del tritio en la fusión nuclear conlleva otra ventaja: si se produjese un accidente por la razón que sea las condiciones necesarias para que tenga lugar la fusión no perdurarían, la reacción se detendría automáticamente y no se liberaría radiactividad porque tanto el helio-3 como el deuterio son isótopos estables del helio y el hidrógeno respectivamente. Y, por esta razón, no son radiactivos.
La introducción del helio-3 en la ecuación de la fusión nuclear es extraordinariamente interesante, pero plantea dos problemas muy importantes que es necesario resolver. Por un lado este gas es muy escaso en la Tierra y su producción industrial a partir de la desintegración radiactiva del tritio es muy cara.
Además, la temperatura que debe alcanzar el plasma que contiene los núcleos de helio-3 y deuterio debe ser muy superior a la de por sí monstruosa temperatura del plasma que combina tritio y deuterio. De lo contrario, la fusión no tendrá lugar porque los núcleos no adquirirán la energía cinética necesaria para vencer su repulsión eléctrica natural al permitir que actúe la interacción nuclear fuerte.
La necesidad de manejar temperaturas aún superiores a los doscientos millones de grados Celsius que requiere la fusión con tritio y deuterio representa un reto colosal, de ahí que lo más razonable sea aceptar que la opción más plausible pasa por dominar primero la fusión tritio-deuterio.
Y una vez alcanzado este objetivo y cuando seamos capaces de manejar esas temperaturas tan elevadas con eficacia podremos pensar en reemplazar el tritio por el helio-3. Eso sí, siempre y cuando antes consigamos hacernos con unas reservas cuantiosas de este último gas.
¿Cuál es el problema? Sencillamente que los mayores depósitos de helio-3 conocidos residen en la Luna. Los científicos creen que bajo la superficie del satélite natural de nuestro planeta, a pocos metros de profundidad, se acumulan algo más de un millón de toneladas métricas de helio-3.
Una de las razones más contundentes por las que merece la pena volver a la Luna consiste en recoger el helio-3 que se acumula bajo su superficie. Estados Unidos, China, Rusia, India, Japón y la Unión Europea están interesados en hacerlo.
Este cálculo ha sido efectuado a partir de los datos que recogieron las misiones del programa Apolo que llevó a cabo Estados Unidos durante la década de los años 60 y la primera mitad de la década de los 70 del siglo pasado, y matizado por las medidas que se han llevado a cabo con posterioridad, como las que tomó el satélite Chandrayaan-1 que la Agencia India de Investigación Espacial colocó en órbita polar en torno a la Luna en 2008.
Puede parecer una cantidad enorme de este gas, y lo es, pero no es nada exagerado si tenemos presente que la ausencia de atmósfera y la presencia de un campo magnético mucho más débil que el de la Tierra han provocado que el viento solar lleve casi 4500 millones de años acumulándolo.
Bajo la superficie de la Luna nos esperan más de un millón de toneladas métricas de helio-3
El primer desafío que la humanidad tendrá que resolver para apropiarse del helio-3 acumulado en la Luna no es otro que el procesado del regolito lunar, que es la capa poco compacta de suelo y fragmentos de roca que recubre la superficie del satélite. Y es que será necesario procesar 150 millones de toneladas de polvo lunar para obtener tan solo una tonelada de helio-3.
Es un reto muy importante, pero, al parecer, según los técnicos se trata de un desafío asumible porque esta concentración es compatible con los procedimientos de minería terrestre de los que disponemos actualmente.
Una vez que hayamos resuelto los problemas derivados de la extracción y el procesado del helio-3 lunar llegará el desafío más complejo: encontrar la forma de transportarlo a la Tierra. Aun así, numerosos países, como Estados Unidos, China, Rusia, India, Japón o la Unión Europea, están interesados en el helio-3 lunar, lo que nos anima a ser razonablemente optimistas.
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