Investigadores crearon un cemento conductor de electricidad para usar en energía y construcción

Cáscara de maní (izquierda) y caña de bambú (derecha) carbonizadas. (Fotos: Argentina Investiga / Universidad Nacional de Río Cuarto)

Unos científicos han ideado un singular cemento, capaz de conducir electricidad con una eficiencia lo bastante buena. El cemento contiene carbón obtenido de los desechos de la cáscara de maní y de la caña de bambú.

Esta tecnología novedosa y sostenible se está probando en la Universidad Nacional de Río Cuarto, Argentina. Y sus aplicaciones potenciales son muchas.

La versatilidad de este material permite, por ejemplo, que el cemento se caliente con el paso de la corriente eléctrica a través del carbón que se le adiciona en su interior. Así, adquiere multifunciones que prometen transformar no solo la industria de la construcción sino también la de la energía.

El cemento mismo podría convertirse en el sistema de calefacción de edificios y casas. Podría evitarse el congelamiento de pistas de aterrizaje y carreteras. Y aún más; su respuesta, al ser sometido a una fuerza de compresión, lo vuelve un sensor inteligente, que permitiría, por ejemplo, brindar en tiempo real información estratégica acerca del peso de los transportes de carga que circulan por las carreteras, cuantificar el flujo vehicular o, en el ámbito de la construcción, detectar microfracturas estructurales en los edificios o filtraciones de humedad. De esta forma, se obtiene un nuevo compuesto conductor con prestaciones adicionales, sin comprometer la durabilidad de las propias estructuras.

Las pruebas de laboratorio que se realizan en la Universidad Nacional de Río Cuarto están cosechando resultados exitosos.

Se trata de ensayos con una modalidad no estructural del cemento, apta para la ejecución de redes de puesta a tierra de circuitos y equipos eléctricos, destinadas a proteger a personas y equipos de fallos de funcionamiento o descargas atmosféricas. Aquí es donde este novedoso descubrimiento encuentra una de sus mayores aplicaciones. Las tormentas con relámpagos, cada vez más comunes y violentas por culpa del calentamiento global, provocan sobretensiones capaces de quemar instalaciones eléctricas e incluso aparatos conectados a ellas.

Sin embargo, un desafío más se impusieron los científicos locales para este proyecto: emplear un material carbonoso como aditivo conductor, prescindir de las reservas naturales de carbón, ya muy limitadas, por cierto, y emplear recursos renovables disponibles en la región. Uno de ellos es la caña de bambú, pero hay otro, que es un desecho industrial y que abunda en la zona cercana a Río Cuarto: la cáscara de maní.

El trabajo de investigación de los científicos apunta a la producción de carbones conductores para formular un cemento eléctricamente conductor proveniente de la biomasa. Estos últimos despiertan especial atención, principalmente por su sustentabilidad, alta disponibilidad y bajo costo relativo.

Este es el complejo desarrollo científico al que se encuentra abocado un equipo multidisciplinario de investigadores de las facultades de Ciencias Exactas, Fisicoquímicas y Naturales y de Ingeniería de la Universidad Nacional de Río Cuarto, integrado por Gustavo Cotella, Diego Gallo, César Barbero, Diego Acevedo y Mariano Bruno.

“Estamos hablando de una categoría de concreto que contiene aditivos eléctricamente conductores, que le otorgan una reducida resistencia eléctrica y estabilidad en el tiempo. Posee las características tanto de los materiales estructurales como de los materiales conductores. De allí sus potenciales aplicaciones y, por eso, se convirtió en nuestro objeto de estudio para elaborar materiales de puesta a tierra. Tiene muy buenas propiedades mecánicas, conductividad eléctrica y resistencia a la corrosión”, destacó el doctor Mariano Bruno, investigador del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) en Argentina y docente en la citada universidad.

En la actualidad, por lo general el cemento eléctricamente conductor, a base de carbón, se formula a partir del agregado de carbones de origen fósil. Sin embargo, las reservas naturales limitadas de este mineral, el costo de los productos derivados del petróleo y su impacto ambiental obligan a fijar las miradas en los recursos renovables, y más aún cuando se trata de la utilización de desechos industriales de la región cercana a Río Cuarto, como es el caso de la cáscara de maní. “Nuestra propuesta es usar productos derivados de la biomasa que cumplan con los requisitos de eficiencia eléctrica y sustentabilidad ambiental”, indicó Bruno.

Explicó: “La biomasa posee gran potencial para suplir derivados de recursos no renovables, como los combustibles fósiles, debido a que es un producto de bajo costo y puede emplearse como precursor de energía y/o productos de alto valor agregado. Lo que hacemos es fabricar un biocarbón conductor a partir de un recurso residual de la región, como es la cáscara de maní, y también a partir de la fibra de la caña de bambú”.

Se logra en dos etapas. Una de precarbonización, con un tratamiento térmico a 500 grados centígrados para reducir el volumen de la cáscara y eliminar los gases condensables que se desprenden mayoritariamente en este rango de temperaturas. En la segunda etapa, se obtiene la muestra carbonizada en un horno capaz de alcanzar los 1.300 grados centígrados. “Fabricamos y probamos distintos porcentajes de carbón en una pasta de cemento y agua para evaluar las características eléctricas”. En otras palabras, se estudió el umbral de percolación que exhibía la muestra, es decir, cuándo las unidades del agregado se interconectaban entre sí para formar una trayectoria de conducción continua de la electricidad, reseñó Bruno.

El umbral se alcanzó cuando se adicionó a la pasta de cemento una proporción cercana al 25% del carbón proveniente de la cáscara de maní. Con la fibra de la caña de bambú se necesitó una proporción menor al 5%. Y cuando se empleó una combinación de ambas, la proporción fue de aproximadamente el 15%.

“Los ensayos de laboratorio que se realizaron hasta el momento –destacó el especialista a Argentina Investiga–, permitieron establecer que la cáscara de maní carbonizada a 1.100 grados centígrados en una atmósfera deficiente de oxígeno aporta un biocarbón apto para ser utilizado como aditivo del cemento para tornarlo un conductor eléctrico. Asimismo, el agregado de un 40% de cáscara de maní obtenido a esa temperatura le confiere al cemento portland una baja resistividad (resistencia eléctrica específica de un determinado material), haciéndolo adecuado para sistemas de puesta a tierra, agregó.

En la actualidad, los principales materiales utilizados para la instalación de puestas a tierra son los metálicos, como el cobre y las aleaciones de hierro cincados. “Desafortunadamente, los materiales de conexión a tierra metálicos poseen limitada resistencia a la corrosión, especialmente en suelos agresivos y son afectados por las corrientes de fuga que conducen”, señaló Bruno, y acotó: “El área de contacto entre el electrodo y el suelo puede incrementarse colocando cemento eléctricamente conductor alrededor de los electrodos de puesta a tierra metálicos y de esta forma reducir su resistencia eléctrica”. “El crecimiento sostenido de sistemas de generación renovables distribuidos requiere de numerosas y eficientes puestas a tierra, tanto en sistemas eólicos como solares, pero tienen un costo significativo comparado con el monto total de la obra y están sujetos a vandalismos por realizarse con metales de alto valor comercial. Por eso, este trabajo de investigación apunta a sustituir gran parte del metal usado en las puestas a tierra por cemento conductor en su ejecución. Esto mejora las características eléctricas y minimiza el interés por el hurto en dichas instalaciones”, subrayó el científico local.

Las pruebas realizadas hasta ahora demuestran que el cemento eléctricamente conductor, logrado a partir de aditivos carbonosos obtenidos de la cáscara de maní y de la caña de bambú, es seguro para el medioambiente. Este material ofrece una baja resistencia de puesta a tierra que es esencial para cualquier sistema de protección contra descargas eléctricas. Además, no requiere de un mantenimiento periódico, por lo cual se vuelve económico y sustentable. “Pero lo más interesante de este proyecto es que empleamos biomasa originada en la región. Utilizamos cáscara de maní, un recurso renovable y regional. Partimos de un desecho para obtener un material con un alto valor agregado”, subrayó Bruno. “Debemos aclarar que lo que fabricamos no es cemento puro. Es un nuevo material a base de cemento. Originalmente, el cemento tiene propiedades aislantes, pero si le agregamos un aditivo como carbón eléctricamente conductor, lo transformamos en un conductor”, precisó. “El objetivo de nuestra investigación es darle un destino útil a un desecho como la cáscara de maní y, de ser posible, obtener un producto con alto valor agregado. Y lo queremos lograr con materiales de acá, de nuestra región”, resaltó el investigador.

“De todos modos, aun cuando los primeros resultados fueron exitosos, este es un estudio muy nuevo, que empezó a desarrollarse durante la pandemia. Todavía estamos en una etapa incipiente del proyecto”, aclaró. “Hasta ahora, hemos podido llevar adelante ensayos de resistencia y de conductividad, y evaluaciones de las propiedades mecánicas del material. Lo que viene próximamente son los ensayos a campo de las puestas a tierra; actualmente buscamos y evaluamos un lugar apropiado en el campus universitario. Tenemos que hallar un terreno que no esté afectado por elementos extraños, que se encuentre cerca para poder efectuar las mediciones necesarias y, a la vez, que esté protegido de algunas condiciones ambientales que puedan afectar este ensayo a largo plazo”.

Explicó seguidamente: “Durante este ensayo analizamos la variación en el tiempo de los valores de puesta a tierra de las jabalinas convencionales y aquellas recubiertas con el cemento conductor que producimos. Este es un ensayo a largo plazo, por eso debemos evaluar la variación natural de los valores de puesta a tierra y su mejora con la aplicación del cemento conductor, eliminando efectos ambientales. Si registramos variaciones en las mediciones porque llovió o porque el suelo no es homogéneo, no nos sirve. Mientras tanto, el trabajo de laboratorio nos permitió establecer cómo afecta la conductividad el material particulado, qué valores de conductividad tenía el cemento y con cuánta carga. Después hicimos lo mismo con el material fibroso. Allí descubrimos que, cuando se emplea fibra como la de la caña de bambú, logra alcanzarse una buena conductividad, con menor carga de aditivo en el cemento, que cuando se usan partículas de carbón obtenidas de la cáscara de maní. ¿Para qué sirve esto? Si el cemento conduce con menos cantidad de carbón, tiene mejores propiedades mecánicas y soportará mayores esfuerzos”.

“Después, trabajamos con mezclas de material particulado y fibroso. Esto lo hicimos porque acá, en nuestra región, tenemos más disponibilidad de carbón particulado obtenido de la cáscara de maní y menos del fibroso proveniente de la caña de bambú. Con esta mezcla logramos buena conductividad con menos cáscara de maní. Con una proporción de entre el 10 y el 20% (entre 3 y 6% de fibra y el resto de material particulado), ya obteníamos una buena conductividad”, comentó el científico.

Agregó luego: “Cuando se trabaja con materiales renovables, hay que acondicionarlos previamente. Para obtener un material que nos sirva hay todo un proceso. Entonces, uno de los desafíos que nos planteamos es simplificarlo para hacerlo más viable. Es decir, mientras menos costoso, mejor. Hay muchos aspectos que queremos abarcar en esta investigación: trabajar con recursos renovables, que sean locales y con simplicidad”.

“A partir de ahora, sólo nos resta el trabajo de campo con las puestas a tierra. El material está, funciona, los valores son buenos y son comparables con los de otros estudios que se llevan a cabo a nivel mundial. Los resultados obtenidos hasta aquí son muy alentadores. Hemos llegado a la conclusión de que la carbonización de la cáscara de maní y de la caña de bambú aporta un biocarbón apto para ser utilizado como aditivo del cemento para tornarlo conductor eléctrico para las aplicaciones previstas y que los métodos de medida de la conductividad eléctrica del carbón y del cemento eléctricamente conductor puestos a punto son adecuados para la caracterización de los productos obtenidos”, concluyó Bruno.