La mayoría de las centrales eléctricas del mundo —ya funcionen con carbón, gas natural o fisión nuclear— producen electricidad generando vapor que hace girar una turbina. Luego, ese vapor se condensa y vuelve a convertirse en agua, y el ciclo empieza de nuevo.
Pero los condensadores que recogen el vapor son bastante ineficientes, y mejorarlos podría marcar una gran diferencia en la eficiencia general de las centrales eléctricas.
Ahora, un equipo de investigadores del MIT ha desarrollado una forma de recubrir estas superficies condensadoras con una capa de grafeno de apenas un átomo de grosor, y descubrió que esto puede cuadruplicar la tasa de transferencia de calor —y potencialmente aumentarla aún más con trabajo adicional—. A diferencia de los recubrimientos de polímero, los de grafeno han demostrado ser muy duraderos en pruebas de laboratorio.
Los resultados se publican en la revista Nano Letters y son obra del estudiante de posgrado del MIT Daniel Preston, las profesoras Evelyn Wang y Jing Kong, y otras dos personas. La mejora en la transferencia de calor del condensador, que es solo un paso en el ciclo de producción de electricidad, podría aumentar la eficiencia general de las centrales eléctricas entre un 2 y un 3 por ciento, según cifras del Electric Power Research Institute, afirma Preston: lo suficiente como para reducir de forma significativa las emisiones mundiales de carbono, ya que estas centrales representan la gran mayoría de la generación eléctrica mundial. «Eso se traduce en millones de dólares por central eléctrica al año», explica.
Hay dos formas básicas en que los condensadores —que pueden consistir en tubos metálicos enrollados, a menudo de cobre— interactúan con el flujo de vapor. En algunos casos, el vapor se condensa y forma una fina película de agua que recubre la superficie; en otros, forma gotas de agua que la gravedad retira de la superficie.
Cuando el vapor forma una película, explica Preston, esta obstaculiza la transferencia de calor y, por tanto, reduce la eficiencia de la condensación. Por eso, gran parte de la investigación se ha centrado en favorecer la formación de gotas en estas superficies haciéndolas repelentes al agua.
A menudo, esto se ha logrado mediante recubrimientos de polímero, pero estos tienden a degradarse rápidamente con el calor y la humedad elevados de una central eléctrica. Y cuando se hacen más gruesos para reducir esa degradación, los propios recubrimientos obstaculizan la transferencia de calor.
«Pensamos que el grafeno podría ser útil», dice Preston, «porque sabemos que es hidrófobo por naturaleza». Así que él y sus colegas decidieron probar tanto la capacidad del grafeno para repeler el agua como su durabilidad en condiciones típicas de una central eléctrica: un entorno de vapor de agua puro a 100 grados Celsius.
Descubrieron que el recubrimiento de una sola capa atómica de grafeno sí mejoraba cuatro veces la transferencia de calor en comparación con las superficies donde el condensado forma películas de agua, como ocurre con los metales sin recubrir. Otros cálculos mostraron que optimizar las diferencias de temperatura podría elevar esta mejora a entre 5 y 7 veces. Los investigadores también demostraron que, tras dos semanas completas en esas condiciones, no se observaba ninguna degradación medible del rendimiento del grafeno.
En comparación, las pruebas similares con un recubrimiento hidrófugo común mostraron que este empezó a degradarse en apenas tres horas, afirma Preston, y falló por completo en 12 horas.
Como el proceso empleado para depositar el grafeno sobre la superficie de cobre —llamado deposición química de vapor— se ha probado ampliamente, el nuevo método podría estar listo para probarse en condiciones reales «en tan solo un año», afirma Preston. Además, el proceso debería poder ampliarse fácilmente a serpentines condensadores del tamaño de los de una central eléctrica.
«Este trabajo es extremadamente significativo porque, hasta donde sé, es el primer informe sobre condensación duradera en forma de gotas con un recubrimiento superficial de una sola capa», afirma Jonathan Boreyko, profesor adjunto de ingeniería biomédica y mecánica en Virginia Tech, quien ha estudiado la condensación sobre superficies superhidrófobas. «Estos resultados son algo sorprendentes y muy emocionantes».
Boreyko, que no participó en la investigación, añade que este método, si se confirma mediante más pruebas, «podría mejorar significativamente la eficiencia de las centrales eléctricas y de otros sistemas que utilizan condensadores».
El equipo de investigación también incluyó a la investigadora posdoctoral del MIT Daniela Mafra y al exinvestigador posdoctoral Nenad Miljkovic, quien ahora es profesor adjunto en la University of Illinois at Urbana-Champaign. El trabajo recibió el apoyo de la Office of Naval Research y la National Science Foundation.
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: David L. Chandler escribe para MIT News.
Imagen: En la imagen, un tubo flexible en una planta. REUTERS/Hannibal Hanschke.
