20.04.2022 - Technische Universität Dresden

Un tamiz cuántico flexible filtra el combustible de la nave Enterprise

Desarrollan un nuevo mecanismo de separación de los isótopos del hidrógeno

El deuterio, el hermano pesado del hidrógeno, se considera un material prometedor del futuro por su amplia gama de aplicaciones: en la ciencia, para la generación de energía o en la producción de productos farmacéuticos. Sin embargo, la extracción de deuterio a partir de su mezcla natural de isótopos ha sido hasta ahora compleja y costosa. Con un material poroso desarrollado en la Technische Universität Dresden, esto podría hacerse pronto de forma más eficiente y rentable. El nuevo método se ha publicado en la revista científica "Science Advances".

La nave estelar Enterprise voló por la galaxia utilizando deuterio como combustible. Aunque se trate de ciencia ficción de los años 60 y 70, la investigación sobre la aplicación real del isótopo del hidrógeno para la generación de energía continúa hoy en día. El principal reto es la extracción del isótopo. El deuterio (abreviatura química D, hidrógeno "pesado") es uno de los tres isótopos naturales del hidrógeno, junto con el protio (H, hidrógeno "normal") y el tritio (T, hidrógeno "superpesado"). Tanto el deuterio como el protio son isótopos estables del hidrógeno. El agua ordinaria y el agua pesada hecha de deuterio son igualmente estables. El tritio (T) es extremadamente prometedor desde el punto de vista técnico, pero no está exento de problemas de seguridad debido a su radiactividad.

El deuterio se extrae del agua pesada, es decir, del agua que contiene deuterio, que está contenido al 0,15 por mil en los recursos hídricos naturales de nuestra tierra. Para ello, primero se aísla el agua pesada mediante procesos químicos y físicos y luego se produce el gas deuterio. Estos procesos son tan complejos y consumen tanta energía que un gramo de deuterio es más caro que un gramo de oro, a pesar de que su presencia natural es muchas veces mayor.

Pero la demanda de deuterio puro sigue creciendo, porque sus propiedades físicas únicas hacen que sus aplicaciones potenciales estén lejos de agotarse: cuando se utiliza en medicamentos, el deuterio ya ha demostrado tener un efecto de prolongación de la vida, aunque inicialmente sólo para el propio principio activo. Los fármacos que contienen deuterio pueden dosificarse en menor cantidad, con lo que también se reducen sus efectos secundarios. En los reactores nucleares, el deuterio desempeña un papel importante como moderador. Además, está previsto utilizar una mezcla de deuterio y tritio o 3Helio como combustible en los futuros reactores de fusión. Otros campos de aplicación son la medicina, las ciencias de la vida, el análisis y las nuevas pantallas de televisión.

En el marco de una colaboración interdisciplinar, los grupos de los profesores Stefan Kaskel y Thomas Heine de la Universidad Técnica de Dresde, junto con el Dr. Michael Hirscher del MPI de Sistemas Inteligentes de Stuttgart, han desarrollado un novedoso mecanismo de separación de los isótopos de hidrógeno basado en el marco metal-orgánico flexible "DUT-8" desarrollado en la Universidad Técnica de Dresde. "Nuestro material permite separar el deuterio gaseoso del hidrógeno. El exclusivo marco metal-orgánico DUT-8 es muy flexible y puede adaptar dinámicamente el tamaño de sus poros. Pero esta respuesta estructural es muy selectiva: Sólo el deuterio puede abrir los poros, mientras que el hidrógeno deja la estructura cerrada. Este reconocimiento altamente selectivo conduce a una alta selectividad de separación combinada con una alta captación de deuterio", explica Stefan Kaskel, profesor de Química Inorgánica en la Universidad Técnica de Dresde. Con su grupo, se especializa en nuevos materiales funcionales nanoestructurados y porosos para el almacenamiento y la conversión de energía y ya ha desarrollado varios materiales patentados.

Su material DUT-8, publicado en 2012, no mostraba inicialmente ninguna captación de hidrógeno, ni a alta presión ni a temperaturas muy bajas. "Durante nuestras mediciones en el MPI de Stuttgart, observamos por primera vez una apertura de la estructura del DUT-8 bajo atmósfera de deuterio a temperaturas muy bajas. Posteriormente, también conseguimos separar experimentalmente mezclas de isótopos de hidrógeno, actuando el material como una especie de "tamiz cuántico" flexible y, por tanto, extremadamente eficaz", explica el Dr. Michael Hirscher, que lleva varios años investigando mecanismos eficaces de separación de isótopos de hidrógeno en el MPI de Sistemas Inteligentes.

Los cálculos de primeros principios, junto con la termodinámica estadística, predicen la apertura selectiva de isótopos y la racionalizan con pronunciados efectos cuánticos nucleares. Sin embargo, hay otros llamados isotopólogos (moléculas de los mismos elementos pero de diferentes isótopos) del hidrógeno, a saber, HD, HT, DT y T2, que hay que considerar en la separación, y los que contienen T son radiactivos. En el grupo de Thomas Heine, de la Cátedra de Química Teórica de la Universidad Técnica de Dresde, se ha simulado el comportamiento de estos isotopos. "En este trabajo conjunto, hemos conseguido sustituir los problemáticos experimentos relacionados con la seguridad con material radiactivo por simulaciones informáticas validadas y, por lo tanto, hacer predicciones para posibles aplicaciones de este efecto de apertura dependiente de los isótopos del DUT-8", explica el profesor Heine. Sus simulaciones muestran que el DUT-8 se abre sólo para isotopólogos sin isótopos ligeros de H. En el caso de la EH, estas predicciones ya han sido confirmadas experimentalmente por el grupo del Dr. Hirscher.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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