La empresa Levidian Nanosystems, en colaboración con Zero Carbon Ventures utilizarán el metano emitido en los vertederos o en las fábricas de producción de petróleo y lo convertirán en hidrógeno de producción más limpia y grafeno. El grafeno es el material más fino conocido y fue descubierto en 2004 en la Universidad de Manchester por Andre Geim y Konstantin Novoselov, quienes ganaron el Premio Nobel.

Este material tiene diversas aplicaciones y ventajas, por ejemplo, es 200 veces más fuerte que el acero, sin embargo, es muy ligero y flexible. También es un excelente conductor del calor y la electricidad, y presenta interesantes capacidades de absorción de la luz. Asimismo, los investigadores han encontrado una forma superconductora de este material.

Poner a trabajar el carbono

A pesar de sus aplicaciones en electrónica, filtración de agua y algunos equipos deportivos especializados, aún no se descubre el nicho revolucionario de este material, sin embargo, esta situación parece estar a punto de cambiar. El concreto resulta un material de gran relevancia en el tema del calentamiento global debido a que su fabricación libera inevitablemente dióxido de carbono, en este sentido, el grafeno puede ser la clave para reducir esas emisiones.

“El concreto se fabrica mezclando arena, grava, agua y cemento. Y el cemento se hace tostando piedra caliza, una roca compuesta de carbonato de calcio, para expulsar el dióxido de carbono y dejar el óxido de calcio” (dato crucial 1). En este sentido, se ha descubierto que al agregar grafeno a la mezcla, el concreto se vuelve 30% más resistente, lo cual implica que se utilice menos material y por ende se generen menos emisiones contaminantes.

Esto sí suena como una aplicación revolucionaria, sin embargo, faltan años para que se incorpore al mercado masivo, no obstante, el aumento en la producción de grafeno mundial va por buen camino (dato crucial 2). Los novedosos métodos de Levidian Nanosystems y otras empresas están diversificando las fuentes de las que se puede extraer grafeno, como los residuos y los plásticos mixtos; así se evitan los métodos físicos y mecánicos de la “exfoliación” del grafito, que es el método dominante. “Dos de los mayores proveedores del mundo, por ejemplo, utilizan procesos propios a base de agua para realizar la exfoliación” (dato crucial 3).

Fuera de la mina

El grafito no es un material renovable, por lo que su extracción resulta poco ecológica. Es así que algunos productores están optando por otras alternativas como el metano o el etanol para producir grafeno. Mediante la deposición química de vapor (CVD, por sus siglas en inglés), es posible depositar átomos de carbono convertidos en vapor sobre un sustrato como el cobre o el níquel y así recuperar el grafeno.

Por otro lado, Levidian Nanosystems tiene su propio método denominado “bucle”, utilizando microondas convierte el metano en plasma, lo que rompe los enlaces químicos de la molécula y crea hidrógeno y grafeno de alta calidad. La gran ventaja de este proceso es que no depende de un catalizador. El objetivo es que este método se utilice en procesos industriales, plantas de tratamiento de aguas y reactores de biogás, así como en pozos petrolíferos y vertederos. De esta forma, el metano generado en estos procesos se reutiliza sin producir gases de efecto invernadero pues el hidrógeno es un combustible que no genera dióxido de carbono y el grafeno se puede usar como aditivo para endurecer la pintura anticorrosiva.

National Grid, empresa británica responsable de la distribución de gas natural y electricidad en el país, está considerando incorporar el sistema de bucle en sus procesos para descarbonizar la producción de gas natural, el cual se obtiene del metano (dato crucial 4). Asimismo, planea utilizar el grafeno en el reforzamiento de sus tuberías para que puedan transportar más hidrógeno. En este sentido, la empresa Levidian afirma que el proceso en bucle tiene un costo y un impacto medioambiental menores que otros medios de producción de hidrógeno, por lo que espera que este proceso pueda ampliarse y convertirse en un gran productor de gas natural.

Por otro lado, en la Universidad de Rice en Houston, Texas, investigadores buscan materias primas alternativas para producir grafeno, hasta el momento “han probado exitosamente el carbón, el coque de petróleo, los alimentos desechados, los neumáticos viejos y los residuos plásticos mezclados.” Mediante el proceso “flash”, el material que contiene carbono se coloca entre dos electrodos y se aumenta su temperatura hasta 2 mil 700 °C, lo cual desintegra las moléculas del material. Lo que no es carbono se evapora y lo que sí lo es se deposita en forma de capas de grafeno.

Fijación de grietas en el concreto

La adición de una pequeña cantidad de grafeno al concreto le da un mejor anclaje al cemento y mayor resistencia, por lo que las estructuras hechas con él duran más. Asimismo, el grafeno proporciona protección ante la humedad a las barras de acero utilizadas para reforzar el concreto. De hecho, en ciertos casos podría evitarse el uso de acero, reduciendo costos y las emisiones que implican producir el acero. En 2021, la Universidad de Manchester, en colaboración con Nationwide Engineering, implementó exitosamente esta técnica para mejorar el suelo de concreto de un gimnasio, con lo cual se redujo un tercio el material utilizado. Por otro lado, el cloro es especialmente corrosivo para el concreto, sin embargo, Sixth Element afirma haber descubierto que la adición de tan sólo 0.005% de grafeno al cemento marino mejora su resistencia al cloro en 40%.

Si se añade grafeno a materiales compuestos de madera y polímeros, sería posible construir sin necesidad de concreto. De esta forma, el proceso sería verdaderamente ecológico si el grafeno es obtenido a partir de residuos o materiales reciclados. “El uso de materiales compuestos más resistentes y ligeros, fácilmente reciclables, podría tentar a muchos fabricantes a abandonar materiales de alto consumo energético, como el acero y el aluminio”. Ford ha comenzado a utilizar grafeno en sus autos para aligerarlos y aumentar su durabilidad.

No obstante, un factor determinante en la aplicación del grafeno es la calidad y las numerosas presentaciones en las que viene, desde películas a polvos, pasando por nanoplaquetas y óxidos de grafeno, entre otros. En teoría el grafeno de “alta calidad” es el que tiene menos de diez capas, sin embargo, todas las variantes tienen algún valor y el precio varía en función de la aplicación que tendrá el material (dato crucial 5).

Universal Matter, empresa canadiense, ha comprado la licencia del proceso flash, por lo que está construyendo una planta de demostración y para 2023 planea producir una tonelada de grafeno al día utilizando este proceso. Por su parte, la empresa considera que el cemento ecológico es el mayor mercado, sin embargo, no se ha llegado al punto de costo necesario para impulsarlo. Por esta razón, por el momento considera adentrarse en otros mercados alternativos como la adición de grafeno al asfalto, lo cual prolongaría su vida útil y evitaría el agrietamiento. El grafeno también puede aumentar la resistencia a la abrasión de los neumáticos de los coches, haciéndolos más duraderos.

Sin polvo de hadas

Utilizar el grafeno no es tan sencillo como "espolvorear un poco de polvo mágico en el producto final", por esta razón, la empresa británica Applied Graphene Materials utiliza tecnologías de dispersión que consisten en introducir grafeno de pocas capas en diferentes sustancias para que sea más sencillo mezclarlo con otros materiales.

Por otro lado, existe cierta preocupación de las implicaciones de la utilización del grafeno en la salud humana. Los investigadores tratan de averiguar cómo puede entrar al cuerpo y cuáles pueden ser sus efectos. En este sentido, resulta imperante conocer y estructurar meticulosamente las formas seguras de utilizar este material.

Volviendo al tema ecológico, no todo el mundo está convencido de que el grafeno sea una solución medioambiental. Investigadores del idTechEx están de acuerdo que este material puede ayudar en procesos de descarbonización, sin embargo, lo considera una exageración debido a los procesos que se siguen utilizando en la industria en torno al grafeno. El proceso flash podría ser la excepción, no obstante, sigue en fase de inicial y no ha demostrado su eficacia a gran escala.

Los nanotubos de carbono son un precedente del grafeno pues son básicamente láminas enrolladas de este material y llevan desarrollándose desde hace más de una década. La demanda de estos tubos ha comenzado a dispararse debido a su utilización en la fabricación de cátodos de las baterías de litio de los autos eléctricos (dato crucial 6).

La gran apuesta

A pesar de todo, el concreto ecológico sigue siendo la mejor apuesta en la aplicación del grafeno, sin embargo, se enfrenta a la competencia de otros métodos de reducción de emisiones en la fabricación del concreto. Uno de ellos se basa en inyectar el dióxido de carbono capturado en la mezcla de agua con cemento, de esta manera se bloquea el gas en forma de carbonato de calcio y el concreto se vuelve más resistente. Aun así, nada impide que se inyecte grafeno de forma adicional.

Además de su uso en la fabricación de concreto y baterías, el grafeno tiene muchos mercados potenciales por el simple hecho de que prolonga la durabilidad y resistencia de los materiales. Asimismo, si se logra el reciclaje del grafeno cuando termine la vida útil de los componentes que lo contienen, se podría contribuir a una economía circular.