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Mar 07, 2023

El aire que respiramos

Patrocinado por El escape del motor es uno de los principales contribuyentes a la contaminación en las ciudades. Pero

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El escape del motor es uno de los principales contribuyentes a la contaminación en las ciudades. Pero la ingeniería innovadora y la química catalítica inteligente de BASF están ayudando a producir un aire más limpio.

16 de agosto de 2017

Con sus curvas deportivas y accesorios cromados, pocos estarían en desacuerdo con que los autos clásicos de la década de 1960 tienen una ventaja estética sobre los autos modernos. Pero debajo de la elegante carrocería se encuentra un secreto culpable. Las emisiones tóxicas de un automóvil de la década de 1960 son casi iguales a las de 100 automóviles modernos.

Eso es gracias en gran parte a la invención del convertidor catalítico. En las últimas cuatro décadas, estos dispositivos han evitado la liberación de más de mil millones de toneladas de contaminantes.

Pero los consumidores, los políticos y los activistas quieren más. Los convertidores catalíticos modernos pueden reducir más del 90 por ciento de las sustancias nocivas de los gases de escape. Ahora, los científicos e ingenieros del gigante químico BASF están trabajando para aumentar esa cifra aún más para ayudar a los fabricantes de vehículos a cumplir con leyes de aire limpio cada vez más exigentes.

En el corazón de este esfuerzo se encuentra el convertidor catalítico, desarrollado por primera vez para automóviles en 1973 por investigadores de la compañía estadounidense de refinación de minerales Engelhard Corporation. El trabajo fue desencadenado por la Ley de Aire Limpio de EE. UU. de 1970, que obligó a los fabricantes de automóviles a reducir drásticamente las emisiones nocivas.

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Los convertidores catalíticos son cuerpos cerámicos alveolares con una gran superficie interna. Esta superficie está recubierta con una formulación que contiene metales, como platino, paladio y rodio, que catalizan diversas reacciones. Los primeros convertidores oxidaron el monóxido de carbono en dióxido de carbono y los hidrocarburos no quemados en dióxido de carbono y agua. Los modelos posteriores, llamados convertidores de "tres vías", también dividen los NOx (óxidos de nitrógeno) dañinos en nitrógeno y oxígeno.

Cómo funciona la conversión catalítica de cuatro vías

Una mayor regulación del aire limpio ha impulsado esta tecnología. Entre 1992 y 2014, una serie de normativas europeas redujeron las emisiones de monóxido de carbono de los coches de gasolina nuevos en dos tercios y las emisiones de hidrocarburos y NOx en casi un orden de magnitud.

BASF ha sido un actor importante en estas reducciones. En 2006, compró Engelhard y hoy es uno de los principales proveedores mundiales de convertidores catalíticos para la industria automotriz, empleando a científicos de catálisis en todo el mundo.

Estos expertos están trabajando para reducir aún más las emisiones. Una innovación reciente de BASF es un catalizador sintético llamado chabazita de cobre que ayuda a eliminar el 95 por ciento de los NOx de los gases de escape diésel. Esto funciona junto con la urea alimentada en la corriente de escape, que se descompone en amoníaco.

La chabazita de cobre contiene poros espaciados regularmente donde las moléculas de amoníaco y óxido de nitrógeno reaccionan para formar nitrógeno y agua.

"La chabazita de cobre proporciona tanto la excelente actividad catalítica requerida para la conversión de NOx como la estabilidad estructural necesaria para una durabilidad a largo plazo", dice Ahmad Moini, miembro del equipo que patentó esta tecnología en 2009.

La forma en que se fabrican los convertidores catalíticos también es importante. En las instalaciones de catalizadores de emisiones de BASF en Nienburg, Alemania, los brazos robóticos de color naranja organizan el recubrimiento de cuerpos cerámicos en una suspensión cremosa que contiene chabacita. El recubrimiento se lleva a cabo de manera precisa para garantizar que los poros del material se recubran completa y rápidamente.

Es aquí donde BASF ha desarrollado la próxima generación de convertidores. Su equipo los ha diseñado para cumplir con la próxima legislación europea que reduce en un orden de magnitud la cantidad permisible de hollín o contaminación por partículas que pueden emitir los motores de gasolina.

Una forma de hacerlo es instalar un filtro adicional que elimine este hollín. Pero los científicos de BASF han ideado una mejor solución que combina el filtrado de partículas con la conversión catalítica convencional de "tres vías". Su truco fue la catalización de un filtro poroso hecho a medida.

La nueva estructura es un panal de largos túneles paralelos que permiten la entrada de los gases de escape. Los gases pasan a través de las paredes del túnel donde se descomponen en reacciones catalíticas. Los gases convertidos luego pasan a otro conjunto de túneles paralelos y salen del convertidor.

Los poros en las paredes del túnel son demasiado pequeños para que entre el hollín y este queda atrapado y luego se quema para formar dióxido de carbono. Los nuevos dispositivos se denominan catalizadores de conversión de cuatro vías EMPRO™.

BASF tuvo que superar importantes desafíos de ingeniería para fabricar estos dispositivos. Por ejemplo, tenía que asegurarse de que el proceso de filtrado no aumentara significativamente la resistencia del motor, lo que reduciría la potencia o aumentaría el consumo de combustible. "Lo logramos en parte mediante el desarrollo de un nuevo proceso para aplicar nuestra composición de catalizador en las paredes porosas del filtro en lugar de sobre ellas", dice Torsten Neubauer, vicepresidente de BASF Environmental Catalysis Research Europe. Los primeros automóviles con componentes de conversión de cuatro vías de BASF llegaron al mercado el año pasado.

Otro desafío para Neubauer y sus colegas es atender los autos híbridos. Estos cambian constantemente de motores eléctricos a un motor de combustión interna, que termina funcionando a una temperatura más baja que los motores de automóviles convencionales. Por lo tanto, BASF está investigando formas de hacer que los catalizadores sean más efectivos a estas temperaturas más bajas.

"Estamos trabajando con los fabricantes de vehículos, los fabricantes de piezas y los proveedores de sustratos de catalizadores para reducir aún más las emisiones, incluso en los tipos de vehículos más nuevos", dice Tilo Horstmann, vicepresidente de BASF Mobile Emissions Catalysts. "Estoy seguro de que al combinar nuestras competencias clave, podemos brindar soluciones innovadoras para impulsar el automovilismo sostenible al siguiente nivel".

Los autos diesel han tenido una prensa mixta. No hace mucho tiempo, los políticos promovían su eficiencia de combustible: los diésel producen hasta un 20 por ciento menos de dióxido de carbono que los equivalentes de gasolina.

Pero más recientemente, se han pronunciado contra los autos diésel, especialmente después del escándalo de las pruebas de emisiones de VW, argumentando que los óxidos de nitrógeno que producen son una carga inaceptable para la salud en las ciudades. Como resultado, los alcaldes de París, Madrid, Atenas y Ciudad de México han anunciado planes para prohibir los automóviles diésel para 2025.

Ahora, los líderes de la industria automotriz dicen que este es un paso demasiado lejos. "Estamos viendo algunas ciudades que proponen movimientos agresivos e irracionales contra el diesel", dice Tilo Horstmann, vicepresidente de BASF Mobile Emissions Catalysts.

Los vehículos diésel emiten más NOx, de media 16,5 veces más que las versiones de gasolina, según la Asociación de Consumidores del Reino Unido. Sin embargo, esto enmascara una gran variación dentro de la flota diésel entre los automóviles más antiguos y los más nuevos.

Según la normativa europea, los vehículos diésel ligeros vendidos desde 2014 no deben emitir más de 80 miligramos/kilómetro de NOx en las pruebas de laboratorio, frente a los 500 mg/km de los vendidos antes de 2000. El límite equivalente para los motores de gasolina es de 60 mg/km. A partir de septiembre, las normas más estrictas reducirán aún más la contaminación, limitando las emisiones incluso en condiciones de conducción reales, no solo en el laboratorio.

Pero los motores diesel también son más eficientes en combustible. Por lo tanto, una caída en las ventas de automóviles diésel nuevos reducirá las posibilidades de la Unión Europea de cumplir su objetivo de reducir las emisiones promedio de CO2 de los automóviles nuevos de 130 g/km en 2015 a 95 g/km en 2021.

Y ahí radica el dilema, dice Frank Mönkeberg, Jefe de Ingeniería de Aplicaciones de BASF Mobile Emissions Catalysts. “Sin diésel, Europa no podrá cumplir con este límite”.

Este artículo apareció impreso bajo el título "El aire que respiramos".

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