FÍSICA

Grafeno para acelerar la obtención de agua pesada

Un equipo de investigadores descubre que las membranas de grafeno de un átomo de espesor permiten tamizar distintos átomos de hidrógeno y extraer el deuterio de forma simple y eficiente.

Estructuras de grafeno del experimento
Estructuras de grafeno del experimento Universidad de Manchester

Los aficionados al cine de acción posiblemente conozcan una película de 1965 dirigida por Anthony Mann, protagonizada por Kirk Douglas y Richard Harris, titulada Los héroes de Telemark. En ella se recrea un hecho histórico: durante la Segunda Guerra Mundial, en la Noruega ocupada, los aliados consiguen encontrar un documento que sirve como prueba irrefutable de que los alemanes están avanzando en la búsqueda de la fisión atómica. Los guerrilleros de la resistencia noruega sabotearon la planta situada en Telemark, Noruega, en la que los nazis habían conseguido obtener el agua pesada imprescindible para el desarrollo de la bomba atómica. El agua pesada era tan difícil de obtener, se necesitaba tanto tiempo en obtener las cantidades necesarias, que la destrucción de la planta de Telemark frustraría cualquier intento de Hitler de conseguir el arma definitiva antes de que la guerra acabase. 

El agua pesada no es más que agua en la que la proporción de moléculas que contienen hidrógeno pesado es significativamente superior a la normal. Este hidrógeno pesado, llamado deuterio, no es más que hidrógeno que en su núcleo además de un protón tiene también un neutrón. Existe una segunda variedad de hidrógeno pesado, el tritio, que tiene un protón y dos neutrones. El agua pesada se emplea en los reactores nucleares para ralentizar los neutrones emitidos en los procesos de fisión. El deuterio además se emplea en los prototipos de reactores de fusión, donde los iones de deuterio, es decir, los núcleos, se fusionan con núcleos de tritio o helio-3 (dos protones y un neutrón). 

El agua pesada está presente en los océanos en cantidades muy pequeñas

En forma de agua pesada el deuterio está presente en cantidades muy pequeñas en los océanos de la Tierra y no es precisamente fácil separarla. La producción de agua pesada comienza normalmente con un proceso químico, conocido como proceso Girdler o del sulfuro, que emplea mucha energía, y que es capaz de obtener como mucho una concentración del 20% de agua pesada. Pero el agua pesada de uso nuclear tiene que ser pura al menos al 99%, por lo que es necesario seguir procesando por electrolisis, lo que necesita otra vez mucha energía, o destilación reiterada, lo que es muy lento. Por esto cualquier proceso que permita separar el deuterio del hidrógeno, habida cuenta de la potencialidad de usos que tiene, es muy interesante.

Según un grupo de investigadores encabezado por el mexicano Manuel Lozada Hidalgo, y dirigido por André Geim uno de los ganadores del premio Nobel por el descubrimiento del grafeno, ambos de la Universidad de Manchester, las membranas de un átomo de espesor podrían extraer el deuterio de forma simple y eficiente. En 2014 estos mismos investigadores sorprendieron a los teóricos demostrando que los núcleos de hidrógeno podían atravesar una lámina de grafeno o de nitruro de boro, otro material estructuralmente similar al grafeno, con la ayuda de un pequeño voltaje aplicado. Ahora han ido un paso más allá, probando que estas láminas bidimensionales muestran una preferencia a la hora de dejar pasar el hidrógeno normal frente al deuterio o al tritio.

Se cree que esta preferencia está relacionada con la mayor energía vibracional del hidrógeno, que le permite “saltar” las barreras energéticas de las láminas con mucha más facilidad.

Se podría incorporar con relativa facilidad a las instalaciones industriales ya existentes

Según las mediciones de los investigadores tanto el grafeno como el nitruro de boro muestran un factor de enriquecimiento de isótopo (cada una de las clases de hidrógeno) de alrededor de 10 para el agua pesada mezclada con agua normal. El proceso Girdler que mencionábamos antes tiene un factor de 3, la electrolisis de 10 y la destilación algo más de 1. Lo que ocurre es que la energía necesaria es al menos 10 veces más pequeña que la necesaria en la electrolisis.

Lo mejor del asunto es que se pueden construir tamices de láminas de grafeno o nitruro de boro de tamaño industrial por deposición química de vapor e incorporarse con relativa facilidad a las instalaciones industriales ya existentes.

Una noticia excelente para investigadores y operadores de dispositivos nucleares varios...

Referencia: M. Lozada-Hidalgo et al (2015) Science DOI: 10.1126/science.aac9726

* Este artículo es parte de ‘Proxima’, una colaboración semanal de laCátedra de Cultura Científica de la UPV con Next. Para saber más, no dejes de visitar el Cuaderno de Cultura Científica.

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