CONQUISTANDO LOS CIELOS por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico numerario

El Hidrógeno es el primer elemento de la Tabla periódica. Abre la puerta al orden y concierto de los elementos. En condiciones normales es un gas incoloro, inodoro y muy reactivo. Está presente tanto en la materia viva como en la inerte. Es el elemento más abundante en el Universo. En nuestro mundo está integrado en la imprescindible agua. Tiene otro record, al ser el elemento más ligero que se conoce. La tecnología también permite disponer de él en estado líquido. Incluso puede lograrse en estado metálico, como evidenciaron Wigner y Huntington en 1935 al comprimirlo a más de 250.000 atmósferas y comprobar que conducía la electricidad. Se supone que en planetas gigantes comprimidos gravitacionalmente como Júpiter y Saturno podría formar parte del núcleo. En enero de este año 2017 anunciaron haberlo obtenido en el laboratorio, científicos de la Universidad de Harvard, Dias y Silvera, bajo una presión de 495 gigapascales, una frecuencia de plasma de 30.1 electrón voltio y una temperatura de 5.5 Kelvin. Science publicó su artículo y Nature publicó otro en el que reinaba el escepticismo. En enero de 2017 se anunció que la muestra se había perdido. Los núcleos formarían una red cristalina a unas distancias inferiores al radio de Bohr y comparable a la longitud de onda de De Broglie correspondiente a los electrones, que no estarían ligados y formarían parte de la banda de conducción como ocurre en los metales. Se piensa que a presiones en torno a 400 Gigapascales podría ser un metal líquido, como postula Babaev. Sus características como superconductor, incluso a temperatura ambiente serían extraordinarias, con reacciones propias de estados de la materia desconocidos hoy. También se pronostican transiciones de fase de la superconductividad a la superfluidez.

En la tabla periódica, está situado en la cabeza de los metales alcalinos, aunque forma moléculas diatómicas como el grupo de los halógenos, por tanto, elementos no metálicos y también como los elementos no metálicos de la segunda fila del sistema periódico, como el oxígeno o el nitrógeno. Su ligereza lo ha presentado como el combustible ideal. Es eficiente y limpio, dado que el único residuo que propicia es agua. La Ciencia ficción lo emplea en las naves espaciales con demasiada profusión. Lo cierto y verdad es que la historia del hidrógeno en el transporte no es demasiado gloriosa. Docenas de ingenios voladores acabaron en desastres extraordinarios como el famoso dirigible tipo zepelín de Hindenburg, acaecido en 1937 y que quedó destruido implicando la muerte de 36 personas, casi un tercio de los embarcados. Vino a suponer el fin de los dirigibles que empleaba el hidrógeno como combustible de medios de transporte. Pero, por diversas circunstancias, en tiempos recientes, vuelve a ser una propuesta de combustible para la circulación, frecuentemente asociado a la combinación con las células de combustible y la disposición de los motores eléctricos como potencia de transporte. Las dificultades de lograrlo derivan de que no es fácil disponer de un medio de almacenamiento suficientemente ligero y compacto para el hidrógeno. Su propia naturaleza lo impide, porque como consta de dos protones y dos electrones, lo que hace que las fuerzas atractivas sean débiles y esto, a su vez, implica que el pozo de potencial que otorga la estabilidad del hidrógeno como molécula es muy bajo. Una primera consecuencia es que el punto de ebullición es sumamente bajo, 20.4 Kelvin. Almacenar hidrógeno en forma líquida requiere, por tanto, un contenedor criogénico. Pero todavía hay otra consecuencia de la debilidad de las fuerzas atractivas y es que se requiere muy poca energía para que las moléculas escapen de ese pozo de potencial, con lo que el calor de vaporización es muy bajo. Esto quiere decir que, si queremos disponer de hidrógeno líquido en un vehículo, la facilidad de evaporación es un serio problema. Se requeriría un tanque de alta presión. Aun así hay una dificultad añadida, consistente en que si las fuerzas repulsivas son las dominantes a temperatura ambiente, la compresión de un gas no seguirá la conducta de un gas ideal. Así ocurre que, a 700 bares de presión, que se aproxima a la que hoy es usual, la densidad es solamente 2/3 de la que se esperaría de comportarse como un gas ideal.

 

Si como nos sugiere Hermans de la Universidad de Leiden, comparamos ventajas e inconvenientes con el almacenamiento de energía en una batería, la primera diferencia notable es que mientras que las dificultades del empleo del hidrógeno como combustible, derivan de su naturaleza, en el caso de las baterías sus posibilidades son función de la tecnología. Y se han hecho avances considerables en los últimos tiempos, en especial en las baterías de litio. La densidad de energía gravimétrica, ha aumentado en un factor tres desde 1991 y hoy se sitúa en torno a 0.25 kilowatios hora / kilogramo. Pero el coste ha caído en un factor de 10 en las dos últimas décadas. Esto parece indicar que, pese a las apariencias, la batalla se inclina por la batería como ganadora, en detrimento del hidrógeno, en cuanto a su empleo como combustible para el transporte.

En todo caso, la eficiencia resulta a la postre determinante. Recordemos que cuando se inicia el recorrido de los motores de combustión, en un escenario gobernado por las altas potencias que ofrecía el vapor, los constructores alemanes volvieron su mirada hacia la aviación, donde, precisamente, el factor decisivo venía a ser la ligereza que se requería imponer a los motores. Y así fue. Hasta que se incorporó a la innovación del automóvil, tuvo que pasar tiempo y lograr mejoras técnicas suficientes. En aviación, el peso es crucial. Pensándolo bien, la densidad de energía gravimétrica del hidrógeno es muy elevada, excepcionalmente alta, en torno a tres veces superior a la del queroseno. En vuelo de largo alcance, resulta decisivo, dado que el peso del queroseno llega a igualar al de la aeronave vacía. Aquí podría ser eficaz y eficiente. Las condiciones cambian lo suficiente como para que la evaporación, que en vehículos terrestres es un problema serio, en aviación no lo es tanto, dado que los vuelos tienen una duración limitada y la baja temperatura exterior a las alturas a las que se efectúan los desplazamientos en aeronaves supone una reducción importante con respecto a la temperatura del hidrógeno líquido. Así que parecen ser los cielos el medio en el que el hidrógeno evidencie su competencia como combustible de transporte. La velocidad supersónica, es posible que aguarde. Puede ser el hidrógeno el que conquiste los cielos. En el Universo, ya lo hizo.