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El grafeno, el “material del futuro” y la importancia de los materiales avanzados

6 min lectura

20 de marzo de 2024

Autor: Andrés Muñoz

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La innovación es uno de los pilares más importantes para el avance de la transición energética. La búsqueda continua de mejorar la eficiencia de las tecnologías limpias permite al sector energético seguir perfeccionando las prestaciones de los equipos y de las soluciones encargadas tanto de producir la energía, como de transportarla e incluso almacenarla. En este proceso de búsqueda, los conocidos como materiales avanzados son los grandes baluartes de la innovación. Recientemente, Europa ha mostrado su interés por liderar esta industria y ha presentado una estrategia basada en varios puntos para lograr que el viejo continente sea un referente en la producción de materiales avanzados. En este artículo vamos a ver qué son, su relevancia y el ejemplo más conocido; el grafeno.

¿Qué son? 

Entendemos por materiales avanzados aquellos elementos diseñados y desarrollados con propiedades y características específicas (dureza, resistencia, conductividad, tenacidad, etc.) que los convierten en ideales para aplicaciones científicas y/o tecnológicas, como es el caso de las energías renovables.

El objetivo de la creación de estos materiales a partir de ya existentes es obtener nuevos capaces de mejorar la competitividad de ciertas aplicaciones y/o actividades industriales. Con ello, se logra potenciar la cadena industrial, mejorar la eficiencia de procesos y obtener mayor seguridad en proyectos.

Los materiales avanzados también pueden estar formados por varios de ellos mismos, es decir, la integración de dos o más para crear uno nuevo con características diferentes. Por lo general, están formado por materiales tipo polímeros, metálicos y/o cerámicos, junto con compuestos inorgánicos.

Por lo tanto, hablamos de compuestos que están concebidos y diseñados para tener un rendimiento superior al de los comunes y/o funciones especiales, y que puedan desarrollarse a una gran velocidad gracias a los avances científicos y a la capacidad informática de la actualidad.

¿En qué aplicaciones pueden estar? 

Fruto del trabajo de investigación y desarrollo, este tipo de materiales con características particulares pueden estar presentes en múltiples sectores, como el energético, la robótica, la salud, el automotriz, el aeronáutico, etc. Basta con que el elemento disponga de propiedades útiles para ese sector.

La transición energética es uno de ellos, y es donde más potencial se considera que tienen este tipo de materiales. Desde las nuevas tecnologías para almacenar energía, hasta la captura y almacenamiento del CO2, se necesitan compuestos con propiedades especiales capaces de ayudar en este proceso. Son, en definitiva, un elemento clave para hacer frente al cambio climático y fundamentales, por ejemplo, para la innovación en los ámbitos de la energía, la electrónica, la construcción y la movilidad, entre otros ámbitos.

¿Qué planes tiene Europa para su impulso? 

Recientemente, la Comisión Europea (CE) ha presentado una propuesta de estrategia para que Europa sea un líder industrial en la creación de estos materiales. Se trata de una serie de medidas concretas que permiten armonizar las prioridades de investigación e innovación y las inversiones en la UE, garantizando el liderazgo europeo en esta tecnología. Con ello, se constituye el primer paso hacia una estrategia general en Europa para avanzar con los materiales avanzados.

Se basa en 5 pilares;

  1. Refuerzo del ecosistema de investigación e innovación.
  2. Aceleración en el acceso al mercado de materiales innovadores, incluyendo el desarrollo de una infraestructura digital europea para la investigación y la innovación en materia de materiales avanzados.
  3. Aumento de la inversión de capital y el acceso a la financiación, con el objetivo de la UE de movilizar inversiones por valor de 500 millones EUR entre 2025 y 2027.
  4. Fomento de la producción y el uso de materiales avanzados.
  5. Creación de un Consejo Tecnológico para los materiales avanzados que suministre asesoría para dirigir esta iniciativa con todos los involucrados.

El grafeno, el material avanzado más conocido 

Posiblemente, el material avanzado más conocido por sus características y aplicaciones sea el grafeno.

Descubierto en 2010, el grafeno es un material que consiste en una sola capa de átomos de carbono fuertemente cohesionados mediante enlaces dispuestos en una superficie uniforme, con una estructura que recuerda a la de un panal de abejas.

El grafeno es carbono puro, de hecho, en un milímetro de grafito, elemento del que se extrae y que podemos ver en los lápices, por ejemplo, pueden encontrarse hasta tres millones de capas de grafeno. Hasta la fecha, se considera el material más resistente que se conoce en la naturaleza, incluso más que el acero estructural e incluso más duro que el diamante.

Se le conoce también como el ‘material del futuro’ por sus múltiples aplicaciones, dado que tiene un gran potencial en sectores diversos que pueden ir desde la fabricación de smartphones hasta la de celdas solares. Algunas de ellas con propiedades mecánicas, electrónicas, químicas, y ópticas, y al ser un elemento puro (carbono), es abundante en la naturaleza y ecológico.

Por todo ello, el grafeno promete miles de aplicaciones en sectores muy dispares y se cree que sustituirá en la próxima década a materiales tan importantes como el silicio. Con un espectro de posibilidades tan amplio, puede lograr una revolución tecnológica.

¿Qué características tiene y en qué sectores está presente? 

En cuanto a sus particularidades, es un material elástico y flexible, con grandes valores de conductividad tanto eléctrica como térmica que le ayudan a soportar altas temperaturas y corrientes eléctricas, disipando el efecto calor.

En concreto, el grafeno posee una gran ligereza que le posiciona como elemento ideal para fabricar baterías pequeñas, haciéndolas ligeras y resistentes. Posee una alta conductividad, con lo que permite ampliar la vida útil de estos sistemas de almacenamiento. Según algunos estudios, en un tiempo podría sustituir al litio como elemento principal de las baterías.

Paralelamente, se puede destacar del grafeno su flexibilidad, que le permite estar presente en capas flexibles como las de pantallas de dispositivos electrónicos o gafas 3D. Además, al ser resistente por su conductividad eléctrica, puede jugar un rol importante en la iluminación eficiente.

Debido a estas características, actualmente el grafeno se encuentra avanzando en sectores como el energético (tal y como hemos visto con el ejemplo de las baterías), el de la electrónica, la construcción y en el sanitario, especialmente.

En el sector energético su importancia radica en que sus características permitirían tener equipos más eficientes, con lo que se reduciría el consumo energético. De igual manera, para la fabricación de numerosos equipos podría ser un avance muy importante, tanto en paneles fotovoltaicos como en baterías.

En el sector de la electrónica, el grafeno puede cambiar radicalmente el concepto que tenemos de muchos dispositivos, volviéndolos más pequeños, ligeros y resistentes. Además, su integración en sistemas electrónicos como placas base de ordenador, podría aportar resistencia térmica e incluso a la humedad a numerosos sensores y dispositivos internos. Mención especial merece su uso para la fabricación de microchips.

En la construcción, el grafeno permite aislar térmicamente los edificios, e incluso mejora las condiciones de protección frente a corrosión, por ejemplo. De este modo, se tendrían elementos de construcción más resistentes y duraderos.

Finalmente, en el sanitario, el grafeno puede ayudar a contar con máquinas de análisis más resistentes y duraderas, además de lograr obtener prótesis con las mismas características. Es capaz también de detectar una sola molécula de un componente en un volumen grande, por lo que funciona como un excelente sensor. Estas particularidades se han desarrollado a través del óxido de grafeno.

El grafeno en la fotovoltaica 

Su gran fotosensibilidad y flexibilidad hacen del grafeno un componente clave en células solares. Actualmente ya se están fabricando prototipos que alcanzan eficiencias de conversión superiores al 10 %, y al poder ser empleados en pinturas de exterior es una oportunidad para el sector de la construcción.

En cuanto a su incorporación en paneles solares, el grafeno puede mejorar la eficiencia de las placas y celdas solares. Su dureza, resistencia y conductividad térmica pueden eliminar los problemas de caídas de eficiencia con la temperatura exterior, y el efecto de las micro fisuras entre otros.

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Su futuro 

Como sucede o ha sucedido a lo largo de la historia con el descubrimiento de nuevos materiales, componentes o equipos, hasta que la industria no madure los costes de producir grafeno son aún altos y eso repercute en el precio final del producto al que se incorpora.

La Universidad de Houston, en 2022, publicó un informe en el que sus autores mencionaban que el precio comercial del grafeno era de entre 70.000 y 200.000 dólares por tonelada, un coste muy elevado para lograr su comercialización masiva.

La apuesta por más investigación y desarrollo, como ha sucedido con la cadena de producción de los paneles solares, por ejemplo, para extraer el grafeno del grafito y poder industrializarlo a mayor escala, serán fundamentales para que el “material del futuro” logre que la descarbonización sea más rápida y eficiente.

Autor: Andrés Muñoz

Ingeniero en Energía y Máster en Gestión y Dirección de Empresas Industriales. Postgrado en Ingeniería Eólica y Energía Termosolar. Apasionado de las Energías Renovables, emprendedor y Dir. Ejecutivo de Infoenergética.

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