Los combustibles líquidos con alta densidad de energía son esenciales en muchas aplicaciones donde la energía química se convierte en movimiento controlado, como en cohetes, turbinas de gas, calderas y ciertos motores de vehículos. Además de sus características de combustión y rendimiento, también es importante garantizar la seguridad y estabilidad de estos combustibles tanto durante su uso como durante su transporte y almacenamiento.

Un peligro común cuando se trata de combustibles líquidos es que pueden evaporarse rápidamente si se les da espacio, produciendo nubes de gases altamente inflamables. Como era de esperar, esto puede provocar explosiones catastróficas o incendios. Para abordar este problema, los investigadores han considerado el uso de combustibles gelificados, o combustibles convertidos en sustancias gelatinosas espesas a partir de temperaturas frías. Sin embargo, hay muchos aspectos que optimizar y obstáculos que superar antes de que los combustibles gelificados puedan ir más allá de la fase de investigación.

Un equipo de investigadores dirigido por el Prof. Naoki Hosoya del Instituto de Tecnología de Shibaura (SIT) y el Prof. Shingo Maeda del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech), Japón, investigó recientemente una solución más convincente al problema de seguridad de los combustibles líquidos, concretamente almacenándolos dentro de redes de gel polimérico. En su estudio, el equipo analizó el rendimiento, las ventajas y las limitaciones del almacenamiento de etanol, un combustible líquido común, dentro de un gel de poli(N-isopropilacrilamida) reticulado químicamente (PNIPPAm). Este artículo fue publicado en Chemical Engineering Journal .

En primer lugar, comprobaron si atrapar las moléculas de etanol dentro de las largas cadenas de polímero PNIPAAm entrelazadas químicamente ayudaba a reducir su tasa de evaporación. Para probar esto, los investigadores crearon pequeñas esferas de gel PNIPAAm cargadas con etanol y las colocaron en una balanza electrónica para registrar cómo cambiaba la masa a medida que se vaporizaba el etanol. También realizaron este experimento con un charco equivalente de etanol, con aproximadamente la misma superficie y masa que la esfera de gel.

Descubrieron que almacenar etanol dentro del gel de polímero suprimía por completo la tendencia del combustible a vaporizarse rápidamente. Esto probablemente se deba a cómo las moléculas de etanol quedan "atrapadas" en el gel, ya que el profesor Hosoya explica que "el gel polimérico contiene innumerables cadenas tridimensionales de polímeros que están entrecruzadas químicamente de forma fuerte. Estas cadenas unen las moléculas de etanol a través de varias interacciones físicas, limitando su evaporación en el proceso". Curiosamente, el gel cargado no se comporta como una toalla mojada. Mientras que una toalla mojada liberaría su líquido si se exprimiera, el gel polimérico no dejaba escapar el etanol fácilmente bajo fuerzas externas.

Una vez resuelto el problema de la evaporación, el equipo procedió a examinar las características de combustión reales del etanol en la red de gel polimérico para ver si se quemaba de manera eficiente. Encendieron esferas de gel cargadas con etanol de varios tamaños y observaron los cambios en sus perfiles de masa y forma en tiempo real. En base a esto, determinaron que la quema de las esferas de gel de PNIPAAm cargadas constaba de dos fases:una fase dominada por la quema de etanol puro, seguida de una segunda fase dominada por la quema del propio polímero de PNIPAAm.

A través de un análisis teórico posterior de estos resultados, el equipo llegó a una conclusión importante:la primera y principal fase de combustión de las esferas de gel de PNIPAAm cargadas sigue un modelo de temperatura de gota constante, también conocido como "d ² ley". Lo que esto significa es que la quema del gel cargado con etanol se puede describir mediante el mismo modelo utilizado para las gotas de combustible líquido, lo que sugiere que sus rendimientos de combustión deberían ser similares.

En general, este estudio es un trampolín hacia nuevas formas de transportar y almacenar combustibles líquidos de forma segura dentro de geles poliméricos, lo que podría salvar muchas vidas. "El almacenamiento de gel polimérico podría prevenir explosiones y accidentes de incendio al reducir drásticamente la evaporación de combustibles y, a su vez, la formación de mezclas gaseosas inflamables, que pueden ocurrir fácilmente después de una fuga en una instalación de almacenamiento", explica el profesor Hosoya. "Aún queda mucho trabajo por hacer en este frente, como verificar la estabilidad y el rendimiento de los geles poliméricos en diferentes condiciones de temperatura, presión y humedad, así como desarrollar procedimientos de fabricación más simples y mejores formas de usar estos geles cargados de combustible en motores reales". + Explora más

Cómo los aviones pueden llegar a ser más altos y más ecológicos utilizando combustibles dopados