WYSS, Convertidores catalíticos más fríos: aire más limpio para todos
Las alas de mariposa inspiraron esta innovación que puede eliminar los contaminantes del aire mejor y más barato que la tecnología existente
22 de abril de 2020
Parte de la celebración del Instituto Wyss del 50 aniversario del Día de la Tierra
Por Lindsay Brownell
A medida que las vidas de millones de personas en todo el mundo se vieron afectadas por las medidas de distanciamiento social para combatir la pandemia de COVID-19 a principios de 2020, surgió una noticia inesperada: los niveles de contaminación del aire en las principales ciudades habían caído hasta un 50% debido a la reducción global en viajes, fabricación y construcción. Los efectos más dramáticos se observaron en India, hogar de 14 de las 20 ciudades más contaminadas de la Tierra, donde la gente publicó fotos en las redes sociales que muestran cielos azules y aire limpio por primera vez en la memoria reciente.
El aplazamiento temporal fue un claro recordatorio de que el motor de la sociedad moderna funciona con la combustión de combustibles fósiles, que libera una mezcla nociva de sustancias químicas en el aire, incluido el gas venenoso de monóxido de carbono, VOC (compuestos orgánicos volátiles) como el formaldehído que puede causar cáncer, y óxidos de nitrógeno que reaccionan con los COV para crear ozono, lo que causa problemas respiratorios e incluso la muerte prematura. La Organización Mundial de la Salud estima que siete millones de personas mueren cada año debido a la contaminación del aire, y Greenpeace en el sudeste asiático ha informado que el aire contaminado cuesta anualmente al mundo billones de dólares en atención médica. Convertidores catalíticos más fríos: aire más limpio Convertidores catalíticos más fríos: aire más limpio
Eugene Houdry
El problema del aire sucio no es nuevo: incluso quemar madera libera químicos tóxicos que pueden causar problemas de salud cuando se inhala. Pero la explosión de la fabricación durante la Revolución Industrial condujo a niveles sin precedentes de contaminación del aire que continuaron sin control hasta principios del siglo XX, exacerbados por la adopción generalizada de automóviles que queman gasolina. No hubo formas efectivas de eliminar los contaminantes de los gases de escape hasta la década de 1950, cuando el ingeniero mecánico Eugene Houdry inventó el primer convertidor catalítico para abordar el smog negro que estaba asfixiando a Los Ángeles y otras ciudades estadounidenses.
Recubrimiento inspirado en mariposas para convertidores catalíticos que reduce drásticamente el costo de limpiar el aire
Los convertidores catalíticos utilizan un catalizador, generalmente un metal costoso como el platino o el paladio, para acelerar las reacciones químicas entre el oxígeno y los contaminantes en el aire para convertirlos en subproductos menos tóxicos como vapor de agua, dióxido de carbono y gas nitrógeno. Dirigir los gases de escape a través de una carcasa metálica recubierta con el catalizador puede eliminar hasta el 98% de los contaminantes de ellos, y las regulaciones que requieren la instalación de convertidores catalíticos en automóviles y chimeneas han ayudado a mejorar dramáticamente la calidad del aire en las ciudades de todo el mundo desde la década de 1970.
A pesar del éxito de los convertidores catalíticos para reducir la contaminación liberada por cada automóvil o fábrica, el aumento dramático en el número de vehículos y edificios industriales en el planeta en los últimos 50 años ha causado una disminución general en la calidad del aire. La investigación en química atmosférica ha revelado que la composición del escape es más compleja de lo que se pensaba originalmente, y se han tenido que agregar múltiples etapas a los convertidores catalíticos para eliminar diferentes contaminantes, aumentando su costo. También los hace más caros es la escasez de metales preciosos utilizados para catalizar las reacciones: hoy, el platino cuesta alrededor de $ 785 por onza. Ese gasto no solo limita la instalación de convertidores catalíticos a grandes fabricantes con bolsillos profundos, Impulsa un próspero negocio del crimen en el que los ladrones roban los convertidores catalíticos de los automóviles y los venden en el mercado negro por los metales que contienen. Reemplazar un convertidor catalítico puede costar fácilmente más de $ 1,000, que muchas personas en países de bajos ingresos simplemente no pueden pagar, por lo que continúan conduciendo vehículos que arrojan contaminación sin filtrar.
Pequeñas estructuras, gran impacto.
Joanna-Aizenberg-Ph.D..
Cualquier solución a este problema multifacético tiene que lograr un equilibrio difícil de reducir el costo de los convertidores catalíticos sin comprometer su rendimiento, y debe ser lo suficientemente flexible como para eliminar múltiples sustancias diferentes del escape. Mientras trabajaba en el laboratorio de Joanna Aizenberg, miembro de la Facultad del Núcleo Wyss , la ex investigadora del Instituto Wyss, Tanya Shirman , Ph.D. y Elijah Shirman , Ph.D. descubrió que la Naturaleza creó una solución similar hace millones de años que se ha estado ocultando a la vista desde entonces: alas de mariposa.
Tanya Shirman
Cuando se inspecciona bajo un microscopio, se revela que la superficie del ala de una mariposa tiene una arquitectura porosa y rígida que le da al ala sus propiedades físicas únicas, que incluyen color, resistencia al agua, estabilidad y control de temperatura. Los Shirmans se dieron cuenta de que podían imitar esta arquitectura a nanoescala para crear un andamio personalizable para catalizadores que les permitiera controlar todo, desde la composición, el tamaño y la colocación de las nanopartículas catalíticas hasta la forma y el patrón del andamio.
Elijah Shirman
«Los convertidores catalíticos de hoy en día tienen tres problemas principales: son caros debido a los metales preciosos, son ineficientes porque gran parte del catalizador nunca entra en contacto con el aire que se supone que debe limpiar, y los catalizadores solo funcionan dentro de un rango de temperatura específico, así que antes de que un automóvil o una fábrica ‘se calienten’, solo están arrojando contaminación que no se limpia ”, dijo Tanya Shirman, quien ahora es vicepresidenta de diseño de materiales en Metalmark. «En este momento, necesitaría desarrollar materiales separados para abordar los problemas de costo, rendimiento y estabilidad de temperatura, pero nuestra tecnología puede resolver los tres problemas a la vez».
En este momento, necesitaría desarrollar materiales separados para abordar los problemas de costo, rendimiento y estabilidad de temperatura [de los convertidores catalíticos], pero nuestra tecnología puede resolver los tres problemas a la vez. TANYA SHIRMAN
El equipo ha creado un prototipo en el que las nanopartículas del catalizador se colocan en puntos precisos en el andamio coloidal orgánico en forma de panal para garantizar que todo el catalizador quede expuesto al escape, minimizando el desperdicio y produciendo una limpieza más eficiente. También puede funcionar eficazmente a temperaturas más bajas que un convertidor catalítico típico, reduciendo tanto la contaminación liberada por los motores «fríos» como el consumo de energía. Es importante destacar que el sistema está diseñado para integrarse perfectamente en el proceso de producción del convertidor catalítico existente. Debido a que el 70-90% del costo de fabricación proviene de la compra del metal catalizador, un simple cambio al diseño de Shirmans podría permitir la producción de convertidores catalíticos mucho más baratos, haciendo que la purificación del aire sea más asequible y, con suerte, causando menos robos.
Del banco de laboratorio a la planta de energía.
Los Shirmans comenzaron a probar su idea en el laboratorio en 2016 y pudieron demostrar que su sistema producía un catalizador muy activo y estable. Pero su muestra tenía solo unos 50 miligramos de tamaño (aproximadamente 1/100 de cucharadita), y sabían que tendrían que probarla a mayor escala para demostrar que podría funcionar en convertidores catalíticos reales. Presentaron su proyecto al Desafío de Innovación del Presidente de Harvard en 2017 y ganaron el segundo lugar, lo que les dio la confianza de que tenía el potencial de tener éxito tanto comercial como técnicamente. Ese mismo año, solicitaron y fueron aceptados como un Proyecto de Validación en el Instituto Wyss, y pasaron los siguientes dos años trabajando en la optimización y ampliación de su tecnología.
El mes pasado, el equipo ha dado otro salto gigante hacia su objetivo de hacer realidad un aire más limpio al crear una nueva empresa, Metalmark. Su prototipo más reciente fue validado recientemente por un Laboratorio Nacional especializado y ahora está siendo probado por un socio industrial.
“La mayoría de los nuevos materiales desarrollados en laboratorios académicos nunca llegan al mercado porque funcionan realmente bien a pequeña escala, pero fabricarlos en masa mientras conservan su función es muy difícil y costoso. Comenzamos este proyecto desde cero, desde una idea, y en solo unos años está casi en el punto en que puede funcionar en una planta de energía gigante para purificar grandes cantidades de aire «, dijo Elijah Shirman, quien ahora es vicepresidente de tecnología en Marca de metal.
Además de las grandes centrales eléctricas y los automóviles, el equipo tiene la vista puesta en aplicar su tecnología a la purificación del aire interior para hogares, oficinas y otros edificios. El aire interior ofrece su propio conjunto único de desafíos: los tipos y las cantidades de contaminantes varían drásticamente de un edificio a otro, y se necesitaría una gran cantidad de energía para calentar el aire a una temperatura en la que los catalizadores actuales puedan funcionar y luego enfriarlo a un nivel confortable Pero los Shirman creen que con algunos ajustes de ingeniería más, su tecnología podría llegar allí.
“Esta plataforma es extremadamente flexible y nos permite abordar rápidamente problemas específicos que puedan surgir con respecto a la purificación del aire. Por ejemplo, podría estar equipado con propiedades antivirales para filtrar partículas de virus del aire, lo que ayudaría a reducir las infecciones en entornos hospitalarios y podría desplegarse durante futuras pandemias para ayudar a salvar vidas «, dijo Tanya Shirman.