Electricidad en casa para todo el día: la pila más revolucionaria está hecha de cemento

El ser humano lleva décadas peinando el planeta en busca de tierras raras con las que poder construir las baterías necesarias para alimentar nuestros sueños de electricidad renovable y coches eléctricos. Nombres de metales como los lantánidos, el itrio o el escandio han sido protagonistas en los últimos años de auténticos movimientos geopolíticos que siempre apuntaban a China, un país que se ha visto de repente como el ganador de esta revolución: tenía los escasos materiales que el resto del globo anhelaba.

Pero el país asiático no contaba con Yang Shao-Horn. Esta ingeniera metalúrgica, que nació en Beijing y se graduó en su universidad politécnica, puede haber dado al traste con las ambiciones de su país natal. Esta semana ha presentado un fascinante descubrimiento que podría darle la vuelta al tablero energético mundial dejando China boca abajo. Su descubrimiento es un supercondensador o, dicho de otro modo, una batería. Está hecha de cemento, hollín —también conocido como negro de carbón— y agua, tres elementos tan habituales que no hay país que no los tenga.

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El estudio que detalla el funcionamiento del prometedor dispositivo aparece en el último ejemplar de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

"Tienes el cemento, el material hecho por el hombre más utilizado en el mundo, que se combina con hollín, otro material muy conocido históricamente: los manuscritos del Mar Muerto se escribieron con él", recuerda Admir Masic, otro de los investigadores implicados en el estudio. "Cuando combinas estos materiales de, al menos, dos milenios de antigüedad, de una manera específica, obtienes un nanocompuesto conductor: ahí es cuando las cosas se ponen realmente interesantes".

Ingeniosamente sencillo

Los condensadores son dispositivos muy simples. Consisten en dos placas conductoras de electricidad sumergidas en un electrolito y separadas por una membrana. Cuando se aplica un voltaje a través del condensador, los iones cargados positivamente del electrolito se acumulan en la placa cargada negativamente, mientras que la placa cargada positivamente acumula iones cargados negativamente. Dado que la membrana impide la migración de iones cargados entre ambas placas, se crea un campo eléctrico que hace que el condensador se cargue. Las dos placas pueden acumular la carga durante mucho tiempo y luego liberarla muy rápidamente cuando sea necesario.

La cantidad de energía que pueda almacenarse depende de la superficie de las placas conductoras. La clave de estos nuevos supercondensadores desarrollados en el MIT está no solo en el material empleado, sino en la técnica: los investigadores introdujeron hollín, que es altamente conductivo, en una mezcla de hormigón (polvo de cemento más agua) y lo dejaron reposar. Al reaccionar con el cemento, el agua creó naturalmente una ramificación de aperturas dentro de la estructura, y el carbono migró a estos espacios para formar algo parecido a alambres dentro del cemento endurecido.

Estas estructuras son similares a un fractal: ramas grandes de las que brotan ramas más pequeñas, y de las que, a su vez, brotan ramitas aún más pequeñas. El resumen es que han obtenido placas con un área de gran superficie dentro de un volumen relativamente pequeño. Luego, sumergieron este material en un compuesto electrolítico estándar como cloruro de potasio, y el resultado fue que los electrodos de cemento y hollín, al estar separados por una capa aislante, formaban un supercondensador muy poderoso.

Los investigadores creen que la batería podría incorporarse a los cimientos de las viviendas

"A medida que la mezcla fraguaba, el agua se consumía sistemáticamente a través de las reacciones de hidratación del cemento, y esta hidratación afectaba fundamentalmente a las nanopartículas de carbono porque son hidrófobas, el hollín se autoensamblaba en una red de cables conductores conectados", añade Masic. Lo mejor es que, una vez desarrollado, ya no hará falta ser un investigador del MIT para reproducir el proceso. Basta con imitarlo, además, empleando materiales económicos y fácilmente disponibles en cualquier lugar del planeta.

Una revolución en los cimientos

El almacenamiento de energía es el gran talón de Aquiles de las fuentes renovables. Las placas solares producen electricidad cuando el sol brilla, pero no cuando es más urgente encender una bombilla. De ahí la obsesión por las baterías y por los acumuladores energéticos a gran escala. La solución propuesta por los investigadores del MIT no es la panacea, pero podría cubrir un importante hueco: el consumo doméstico de electricidad, que en 2022 supuso en torno al 25% del total en España y que sin duda irá creciendo en el futuro, cuando más vehículos eléctricos se vayan incorporando a la red.

El cemento, que ha sido señalado muy a menudo como un enemigo por su contribución al cambio climático —debido al CO₂ que se produce en su fabricación— pasaría a tener un rol activo en la lucha contra el mismo, reduciendo la necesidad de combustibles fósiles para la iluminación o climatización de las viviendas. Los investigadores del MIT que desarrollaron el sistema dicen que su supercondensador eventualmente podría incorporarse a los cimientos de hormigón de una casa o de una turbina eólica, donde podría almacenarse la energía. Esto no resultaría en un mayor coste y, según apunta el artículo, mantendría la fuerza estructural de los cimientos.

Los cálculos de Shao-Horn, Masic y Franz-Josef Ulm, tercer investigador en discordia, apuntan a que sería necesario un cubo de 3,5 metros de lado (45 metros cúbicos) de este cemento chetado con filamentos de hollín para obtener 10 kilovatios/hora, suficiente para satisfacer las necesidades de una vivienda durante un día.

Lo más interesante es que el material es multifuncional y depende totalmente de la mezcla. Al aumentar el porcentaje de hollín se aumenta la capacidad de almacenamiento, pero se reduce la capacidad estructural de los cimientos. Sin embargo, para otros usos sí que podrían emplearse estas baterías de cemento con más de un 10% de hollín en su composición.

Los investigadores también han especulado con una carretera, hecha con el mismo material, que podría recargar a los coches eléctricos que viajaran por ella con una tecnología contactless, parecida a la empleada por los teléfonos móviles. O emplear el cemento, pero no para almacenar electricidad, sino como un sistema de calefacción, simplemente aplicando la energía y dejando que fluya por las ramificaciones de carbono.

"Es una nueva manera de mirar el futuro del hormigón como parte de la transición energética", ha subrayado Ulm.