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Una nueva forma de fabricar acero podría reducir un 5% las emisiones de CO2 de golpe
Cortesía de Boston Metal
Un disco grumoso de acero gris oscuro cubre un banco en el espacio de laboratorio de Boston Metal, un spin-out del MIT ubicado a media hora al norte de la ciudad homónima.
Es el primer lote de aleación de alta resistencia de la compañía, creado utilizando un enfoque novedoso para el procesamiento de metales. En lugar del alto horno empleado en la fabricación de acero durante siglos, Boston Metal ha desarrollado algo más parecido a una batería. Específicamente, es lo que se conoce como celda electrolítica, que utiliza electricidad, en lugar de carbono, para procesar el mineral de hierro en bruto.
Si la tecnología funciona a una escala tan económica como esperan los fundadores, podría ofrecer un camino claro para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero de uno de los sectores más difíciles de limpiar de la economía mundial y la mayor fuente industrial de contaminación climática.
Después de trabajar en la idea durante los últimos seis años, la empresa de nueve personas está pasando a la siguiente fase. Si cierra una ronda de financiación pendiente, la startup planea construir una gran instalación de demostración y desarrollar una celda a escala industrial para la producción de acero.
Cortar carbono
En el enfoque principal de la fabricación de acero hoy en día, el óxido de hierro se coloca en un alto horno con coque, una sustancia dura y porosa derivada del carbón. A altas temperaturas, el coque se convierte en monóxido de carbono, que extrae el oxígeno del hierro y produce un metal intermedio conocido como arrabio, junto con dióxido de carbono que flota en la atmósfera.
Este y otros pasos en el proceso bombean alrededor de 1,7 gigatoneladas de dióxido de carbono a la atmósfera anualmente, sumando alrededor del 5 por ciento de las emisiones globales de dióxido de carbono, según un artículo reciente en Ciencias (ver Todavía no tenemos idea de cómo eliminar más de una cuarta parte de las emisiones de energía). Y eso sin tener en cuenta los combustibles necesarios para encender los hornos.
Los automóviles, los edificios y los puentes dependen bastante del acero, dice Steven Davis, autor principal de ese estudio y científico del sistema terrestre en la Universidad de California, Irvine. Entonces, a menos que cambiemos eso, y no hay señales de que lo hagamos, debemos encontrar una manera de descarbonizar el proceso.
Pero la eliminación total de las emisiones requerirá una tecnología que pueda capturar el dióxido de carbono antes de que salga de la acería, lo cual es costoso y técnicamente complejo, o el uso de materiales alternativos para eliminar el oxígeno del óxido de hierro.
disparo a la luna
Donald Sadoway, químico del MIT, comenzó a trabajar sin darse cuenta en una solución a mediados de la década de 2000.
La NASA había ofrecido un premio de un cuarto de millón de dólares al primer equipo de investigación que pudiera descubrir cómo extraer oxígeno de la superficie de la luna, una condición previa para establecer bases lunares. Sadoway propuso usar una celda electrolítica, que produce una corriente eléctrica para descomponer los compuestos, para extraer oxígeno de las rocas lunares. El subproducto era metal fundido, un descubrimiento que lo llevó a explorar la posibilidad de usar un enfoque similar para procesar metales en la Tierra.
Pero producir algo como el acero requeriría un ánodo hecho de materiales baratos que no se corroan a altas temperaturas o que no reaccionen fácilmente con el óxido de hierro. En 2013, Sadoway y el investigador de metalurgia del MIT Antoine Allanore publicaron un papel en Naturaleza concluyendo que los ánodos hechos de aleaciones a base de cromo podrían marcar todas esas casillas.
El año anterior, Sadoway, Allanore y otro compañero había cofundado una startup conocida como Boston Electrometallurgical, que se convertiría en Boston Metal.
La compañía ha recaudado $13 millones hasta la fecha, principalmente del inversionista brasileño Ingo Wender, el Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias. La firma se negó a revelar la fuente de una inversión pendiente hasta que finalice esa transacción.
Una industria vacilante
Una de sus celdas electrolíticas se encuentra en la trastienda de Boston Metal. Es un cilindro de metal achaparrado, con un tubo en forma de chimenea que emerge de la parte superior y una abertura ovular en el frente. Está diseñado para producir ferroaleaciones, un material de alto margen utilizado para producir ciertos grados de acero, y el mercado objetivo inicial de la startup.
La chimenea es en realidad un ánodo. Una fina capa de metal a lo largo de la parte inferior forma el cátodo. Estos electrodos positivo y negativo juntos actúan como una especie de bomba, empujando electrones a través del electrolito en la cámara, una mezcla de minerales metálicos y otros óxidos.
Los ingredientes precisos de ese electrolito son una parte fundamental de la tecnología central de la empresa. En el caso del acero, los demás óxidos actúan como disolvente a altas temperaturas, disolviendo el óxido de hierro sin descomponerse.
Cómo la celda electrolítica de Boston Metal procesa el metal usando electricidad.
A medida que la corriente eléctrica calienta esa sopa, el oxígeno liberado del hierro burbujea hacia la parte superior y el metal resultante se acumula en la parte inferior. Una vez que los operadores golpean o perforan un revestimiento a través del orificio en la parte delantera, el metal fundido se derrama en una línea naranja brillante.
Una ventaja de usar carbono en la fabricación de acero es que imparte resistencia al producto final, al menos cuando está en la proporción adecuada. Adam Rauwerdink, director de estrategia de la compañía, dijo en un correo electrónico que para producir grados específicos de acero, simplemente se pueden agregar carbono y otros ingredientes a medida que el metal se enfría.
Pero algunos se preguntan cuán convincente será eso para la industria siderúrgica notoriamente conservadora, que después de todo está produciendo un material que necesita para sostener rascacielos.
Se requiere carbono en algún nivel para las propiedades mecánicas del acero en sí, dijo Nathan Lewis, químico del Instituto de Tecnología de California, en un correo electrónico. Y comprensiblemente, la industria duda en cambiar ese proceso.
Próximos pasos
El año pasado, Tadeu Carneiro se incorporó a Boston Metal como consejero delegado. Previamente dirigió con sede en Brasil CBMM , el mayor productor de niobio, un metal utilizado en aleaciones superconductoras.
Carneiro, que usa un par de anteojos oscuros y gruesos sobre un conjunto de cejas oscuras y pobladas, garabatea ecuaciones químicas en una pizarra mientras describe la estrategia comercial de la compañía con acento brasileño. El plan de tres años es construir una instalación de demostración para producir ferroaleaciones, dice. Mientras tanto, la compañía también comenzará a diseñar y construir una celda a gran escala para producir acero, un hito que espera alcanzar dentro de siete años.
Si Boston Metal logra estos puntos de referencia, podría buscar una serie de modelos comerciales, incluida la licencia de la tecnología, la asociación con fabricantes de metales, la venta de células o la producción directa de metales.
Pero como siempre en la ciencia, hasta que el producto se construya y pruebe a escala comercial, es demasiado pronto para decir qué tan bien o qué tan asequible funcionará realmente. Además, la mera producción de una versión ecológica de un producto por aproximadamente el mismo precio no será suficiente para transformar la industria, dados los miles de millones de dólares en costos irrecuperables en las acerías que pueden operar durante décadas, y el hecho de que gran parte de esta industria tiene su sede en países relativamente pobres o que luchan económicamente.
Una barra de metal producida por el proceso de electrólisis de óxido fundido, o MOE, de la empresa. Cortesía de Boston Metal
Incluso si la tecnología perfecta apareciera hoy, probablemente pasarían varias décadas antes de que pudiéramos hacer una transición efectiva a ella, dice Davis.
Carneiro reconoce que la empresa aún debe superar una serie de desafíos técnicos pendientes, incluida la mejora de la eficiencia faradaica, lo que significa aumentar el porcentaje de electrones que realmente producen metal; mejorar la eficiencia térmica o reducir los kilovatios-hora de electricidad necesarios para producir un volumen dado de metal; y ampliar un ánodo de aleación de cromo que hasta la fecha solo se ha demostrado a nivel de laboratorio.
Sin embargo, confía en que Boston Metal resolverá estos desafíos, demostrará que la tecnología es más barata y, en última instancia, convencerá a la industria para que adopte su enfoque.
Transformar el sector siderúrgico de casi un billón de dólares sigue siendo una posibilidad remota. Pero si la startup puede demostrar que su proceso funciona a escala industrial, al menos podría brindar una pequeña esperanza para resolver una de las partes más difíciles del rompecabezas climático.