El hidrógeno es un elemento especial para los científicos que lo estudian y lo utilizan, ya que cuenta con una serie de propiedades únicas que lo diferencian de cualquier otra forma de materia. Estas propiedades intrínsecas del hidrógeno crean condiciones que complican su almacenamiento, transporte, uso y regulación gubernamental.

El átomo más pequeño en masa

Con número atómico 1, el hidrógeno se compone de un protón y un electron. Los isótopos de hidrógeno a veces pueden tener uno o más neutrones, lo que provoca un mayor número de masa.

Debido a su pequeño tamaño, el hidrógeno es difícil de almacenar, transportar y usar en muchas aplicaciones. De hecho, el hidrógeno escapa de la atmósfera y viaja al espacio ya que tiene una densidad mucho menor que la del aire. Debido a esto, el hidrógeno debe estar altamente presurizado durante el almacenamiento.

Las únicas formas de hidrógeno que existen de forma natural en la Tierra son compuestos en los que el hidrógeno forma enlaces químicos con otros elementos más pesados, como el oxígeno, formando por ejemplo agua, la sustancia química más común de la Tierra. La especial relación del hidrógeno con el agua conduce a su utilidad como fuente de energía limpia y renovable, única entre todas las fuentes de energía del universo.

El deuterio y el tritio son isótopos del hidrógeno que se utilizan en los combustibles nucleares. El agua pesada es un agua especial que consiste en oxígeno e isótopos pesados ​​de hidrógeno.

El elemento más abundante en el universo

Además de ser el elemento más simple, el hidrógeno es también el más abundante en el universo.

Fusión nuclear

La fusión nuclear es la principal fuente de energía en los objetos más masivos (además de los agujeros negros) en todo el universo, las estrellas. Dentro de las estrellas, las reacciones nucleares de hidrógeno denominadas reacciones de fusión impulsan los isótopos de deuterio y tritio para formar radiación, energía, helio y neutrones (que actúan como catalizadores para continuar impulsando la reacción de fusión nuclear).

En la Tierra, los científicos están desarrollando reactores nucleares de fusión basándose ​​en este principio. Mientras que las estrellas logran esto a temperaturas de aproximadamente 27 millones de grados Kelvin o más en promedio, en la Tierra los reactores de fusión deben alcanzar temperaturas superiores a los 100 millones de grados Kelvin. Hay dos tipos principales de reactores de fusión que actualmente se ha demostrado que logran la fusión nuclear:

En 2021 el NIF, acrónimo en inglés de National Ignition Facility logró un avance importante en el desarrollo de los reactores de fusión cuando se creó más energía de la que se utilizó para impulsar un reactor de fusión, logrando la ignición por fusión. Proyectos internacionales como el proyecto ITER ofrecen la promesa de nuevos avances importantes en 2025.

Dentro de los 60 años que se lleva investigando el hidrógeno, nos encontramos en una etapa en la que la fusión nuclear se puede lograr de manera realista en la misma escala que la fisión de una manera seria y práctica en las próximas décadas. Algunas restricciones importantes en el desarrollo de la energía de fusión incluyen:

  • Encontrar formas prácticas de utilizar el calor extremo generado por las reacciones de fusión para impulsar las redes eléctricas.
  • Estabilización de reacciones de fusión.
  • Financiación de la investigación y el desarrollo de la fusión.
  • Aceptación del gobierno y de la comprensión pública de la seguridad inherente a los reactores de fisión.

Fisión nuclear

Además, el hidrógeno es importante en las reacciones nucleares de fisión, principalmente en la fabricación de bombas de hidrógeno y de agua pesada para uso en reactores de fisión nuclear.

En las aplicaciones de bombas modernas, los isótopos pesados ​​de deuterio del hidrógeno se combinan con litio para actuar como fuente de combustible en una reacción de bomba de fusión iniciada por una reacción de fisión termonuclear. En otras palabras, las bombas de hidrógeno son impulsadas por una reacción de fisión que desencadena una reacción de fusión (ya que se requieren temperaturas extremadamente altas para iniciar la fusión).

El agua pesada se genera mediante la combinación de isótopos pesados ​​de hidrógeno y oxígeno que forman agua más pesada que funciona como moderador, ralentizando los neutrones durante las reacciones de fisión en los reactores de fisión nuclear tradicionales. Los moderadores disminuyen las tasas de reacción nuclear, lo que reduce la amenaza de fusión nuclear que ocurre cuando las temperaturas de operación exceden las restricciones de control y los materiales radiactivos se filtran al medio ambiente, amenazando la vida humana cercana durante cientos o miles de años con desechos nucleares.

Fuente esencial de energía

El hidrógeno es el combustible con mayor contenido de energía por unidad de peso.

Mientras que los hidrocarburos, o diferentes combinaciones de compuestos de hidrógeno y carbono que componen los combustibles tradicionales, siempre crean CO2, agua y calor como subproductos de la combustión con oxígeno; el hidrógeno solo genera agua y energía térmica como subproductos. Esta es la reacción de síntesis de agua utilizada en la impulsión de cohetes tradicionales que utilizan oxígeno líquido e hidrógeno para generar empuje para lanzar naves espaciales.

La reacción entre el O2 y el H2 es la razón por la cual el hidrógeno explota al entrar en contacto con el aire con la suficiente energía de ignición que requiere una intensa contención en contenedores presurizados separados del oxígeno circundante. Esta reacción es también la razón principal por la que el hidrógeno es más limpio para el medio ambiente que los hidrocarburos.

El futuro del hidrógeno

El hidrógeno seguirá adquiriendo importancia como fuente de energía a medida que los factores políticos y económicos mundiales reduzcan la demanda de combustibles fósiles que causan el calentamiento de la Tierra y busquen formas de energía más sostenibles y limpias como sustitutos. Los ejemplos de factores impulsores del crecimiento del mercado de hidrógeno incluyen:

  • Inestabilidad de los precios del petróleo y el gas.
  • Incertidumbres generales de suministro de petróleo y gas.
  • Creciente popularización de la preocupación por el medio ambiente como un valor político internacional.
  • Incentivos fiscales y gubernamentales.
  • Aumentar la conciencia sobre los efectos negativos del calentamiento global.
  • Mejoras revolucionarias en la eficiencia de la electrólisis de hidrógeno, como el electrolizador KIST, que conducen a menores costos de producción de hidrógeno.

Desde Rosetta Technology estámos ayudando a desarrollar este progreso tecnológico y científico hacia un futuro energético mejor a través de soluciones de regulación de caudal y presión para muchas aplicaciones de hidrógeno, que incluyen:

  • Regulación de flujo y presión de hidrógeno, incluso en entornos de Clase 1 División 2.
  • Ayudar en la captura y almacenamiento de las fuentes de energía utilizadas en la generación de hidrógeno, como los hidrocarburos, reduciendo el coste del hidrógeno por kilogramo.
  • Integrar controladores de flujo másico en los sistemas de prueba de celdas de combustible proporcionando las herramientas de diagnóstico que ayudan a los científicos a desarrollar la tecnología que nos permitirá convertir el hidrógeno en energía útil.
  • Ayudar a desarrollar coches de hidrógeno más eficientes.
  • Regulación de caudal y presión en la investigación general de electrólisis.
  • Regulación de caudal y presión de amoníaco como medio de transporte de hidrógeno.
  • Investigación y desarrollo de combustibles de fusión y fisión nuclear (almacenamiento, control de flujo, control de presión, etc.).
  • Pruebas de fugas para el almacenamiento de combustible para cohetes.
  • Control de caudal para generación de agua pesada.

Soluciones para otras áreas de investigación y desarrollo de la industria del hidrógeno

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