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Tecnología

Tierra para innovar

Centro de Materiales Cerámicos investiga nuevas aplicaciones en siderurgia y en productos eléctricos

El avance en el estudio de materiales cerámicos está generando una serie de nuevos productos de uso industrial. Dos de las más importantes novedades en ese sector salieron recientemente del Laboratorio Interdisciplinario de Electroquímica y Cerámica (Liec), de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), en donde los investigadores, coordinados por el profesor Elson Longo, lograron develar con ventajas innovadoras, incluso con el registro de una patente, la tecnología empleada por empresas internacionales en la fabricación de dispositivos que protegen a las redes eléctricas contra las sobrecargas causadas por rayos.

El equipo también efectuó modificaciones en los refractarios cerámicos utilizados por las siderúrgicas en la producción de acero, que resultaron en una significativa economía para la Companhia Siderúrgica Nacional (CSN) de Volta Redonda (Río de Janeiro). La empresa está economizando 6 millones de dólares anuales con los cambios efectuados en el vagón -llamado carro torpedo- utilizado para transportar el arrabio, el hierro líquido que será transformado en acero.

Esas dos novedades forman parte de las diversas líneas de investigación del Liec, laboratorio que forma parte del Centro Multidisciplinario para el Desarrollo de Materiales Cerámicos (CMDMC), del cual también participan el Instituto de Investigaciones Energéticas y Nucleares (Ipen, sigla en portugués), el Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (USP), y el Instituto de Química de Araraquara, de la Universidad Estadual Paulista (Unesp). El CMDMC es uno de los diez Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepids), seleccionados en el año 2000 por la FAPESP. Para dicho programa, la Fundación reserva 15 millones de reales por año.

Uno de los objetivos de los Cepids es el estímulo a la investigación innovadora, desarrollando productos tales como el dispositivo cerámico elaborado en el Liec, que es capaz de proteger la red de transmisión de energía. Éste artefacto, llamado varistor, tiene una doble función: es aislante y es a su vez conductor de electricidad. Al recibir la descarga eléctrica de un rayo, el dispositivo instalado en un pararrayos ubicado entre los cables conductores (que distribuyen energía) y la tierra es accionado. La variación de voltaje detectada hace que la cerámica se vuelva conductora. La corriente indeseable es entonces descargada hacia tierra por la cerámica varistora, evitando daños en la línea de transmisión. Cuando cesa el efecto del rayo, que dura milésimos de segundos, el material cerámico vuelve a actuar como aislante.

Existen varios tipos de varistores en el mercado mundial, y cuatro empresas que dominan esa tecnología: Matsushita, de Japón; Asea Brown Boveri y Siemens, de Europa; y General Electric, de Estados Unidos. “El varistor es un sistema complejo; tiene por lo menos ocho componentes formados por óxidos diferentes y una secuencia de tratamiento térmico que son considerados secretos industriales”, cuenta el profesor Edson Leite, uno de los investigadores del Liec.

Una invención japonesa
El dispositivo, desarrollado en Japón en la década del 70 para la protección de equipos de bajo voltaje, fue adaptado por los norteamericanos para trabajar con alta tensión. Los varistores disponibles en el mercado están hechos a base de óxido de zinc (ZnO), una tecnología descifrada por el Liec, que también ya ha patentado una nueva propuesta para la fabricación de esos dispositivos utilizando dióxido de estaño (SnO2), materia prima hallada en grandes cantidades en Brasil.

Según el profesor Longo, también coordinador del Cepid de Materiales Cerámicos, el de dióxido de estaño es más resistente contra ambientes químicos agresivos, además de tener una mayor conductividad térmica. En el momento en que el rayo cae donde está instalado el varistor, la temperatura llega a cerca de 200° Celsius. La descarga eléctrica parte de la nube y llega al suelo, y provoca la ionización del aire a lo largo de su trayecto, pudiendo derivar en la formación de nitratos. Esos nitratos pueden atacar al óxido de zinc, formar nitrato de zinc y destruir al varistor. Longo subraya que el dióxido de estaño no tiene ese problema. “Ésa es una invención íntegramente nacional. Todos los artículos internacionales que fueron publicados en el mundo sobre dióxido de estaño son nuestros”, cuenta.

En Brasil, el riesgo de apagones provocados por la caída de rayos es muy grande. Según datos del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe, sigla en portugués), cerca de 100 millones de rayos caen en territorio nacional anualmente. En marzo de 1999, diez estados brasileños quedaron a oscuras durante cuatro horas como consecuencia de un rayo que cayó en una subestación ubicada en el municipio de Baurú (interior de São Paulo).

Leite resalta que las empresas generadoras y distribuidoras de energía han procurado proteger cada vez más proteger sus equipamientos de las descargas eléctricas provocadas por los rayos. Ese mercado potencial motivó a dos empresas de Minas Gerais, y a una de São Paulo, a fabricar el varistor de óxido de zinc con la tecnología desarrollada por el Liec. Las negociaciones ya están en marcha. El producto fabricado con dióxido de estaño llamó la atención, pero todavía depende de que surjan interesados en ponerlo en la línea de producción.

Algunas empresas fabrican pararrayos en Brasil, pero la mayoría de los bloques es importada y, según Longo, no existe un estándar de calidad. “Solamente un avanzado conocimiento en ciencia básica puede propiciar la generación de este tipo de tecnología”, dice. “Ésa es la gran jugada”. Longo recuerda que una tecnología desarrollada para mejorar piezas cerámicas (azulejos, pisos) fue esencial para llegar a los varistores. “Descubrimos que el oxígeno era fundamental para eliminar el corazón negro (un defecto en el centro de la pieza, originado durante el proceso de quema) de las piezas de revestimiento cerámico. Ese proyecto fue desarrollado en asociación con White Martins, y está siendo utilizado por Cerâmica Gerbi.”

Transporte rápido
La investigación tecnológica es también un factor de competitividad para las industrias siderúrgicas. Pero, al igual que en otros sectores, las innovaciones incorporadas a la producción de acero logran mantenerse en secreto por un corto lapso de tiempo. Siempre que hay un congreso, se anuncian las novedades, y los técnicos intentan adaptarlas rápidamente. Con todo, el estar un paso al frente de la competencia marca la diferencia, tal como pudo comprobarlo CSN.

La novedad que llevó a la siderúrgica a economizar 6 millones de dólares por año fue el desarrollo de un aislante cerámico, colocado entre la carcaza de metal y el refractario cerámico del carro, y el de una tapa, también de cerámica, que proporcionaron una ganancia de 40° Celsius, perdidos anteriormente durante el transporte entre los altos hornos y el conversor (un equipamiento utilizado para la transformación del arrabio en acero mediante la adición de oxígeno, que reacciona con el carbono, formando dióxido de carbono). Eso significa que el arrabio puede hacerse a una temperatura menor. “De esa manera, se utiliza menos carbón de coque, lo que representa una mejora económica, aunque pequeña, pues ese combustible es barato. La verdadera ganancia reside en el hecho de que el carro torpedo puede andar más rápido porque no hay pérdida de temperatura”, comenta Longo.

CSN también consiguió un acero de mejor calidad, con menos azufre, sin hacer cambios en el sistema de producción, como producto de un proceso desarrollado hace dos años por los investigadores del Liec. El silicio, el fósforo y el azufre son tres elementos indeseables que se incorporan al hierro líquido. Los dos primeros son más fáciles de eliminar. Pero el último interfiere en la calidad del acero, dejándolo más quebradizo, y su extracción requiere por eso un proceso más complejo.

El nuevo método, que se encuentra en fase de pruebas industriales en la siderúrgica, permite la remoción gradual del azufre con cuatro diferentes agentes (carbonato de calcio, carburo de calcio, aluminio-magnesio y escoria de aluminio), inyectados durante el transporte del arrabio en los carros torpedos. Los procesos utilizados actualmente en todo el mundo utilizan el carbonato de calcio para retirar el indeseable azufre. “Colocamos en una primera etapa carburo de calcio con carbonato de calcio y añadimos la escoria resultante de la fabricación de aluminio, para aumentar la temperatura del baño de desulfuración (eliminación del azufre)”, cuenta Longo. La investigación que redundó en ese proceso innovador forma parte de la tesis de doctorado de Sérgio Murilo Justus, dirigido por Longo y por el investigador Sidney Nascimento Silva, de CSN. La siderúrgica invirtió 150 mil reales en ese proyecto, que recibió también una beca de doctorado de la FAPESP.

“También desarrollamos un sistema para que CSN produzca arrabio a pedido, con un estándar de calidad del acero definido por el comprador”, cuenta Longo. Los porcentajes de azufre y las mezclas se ejecutan por computadora. Antes de que este sistema fuera implementado, dependiendo de la compra, la central debía parar lo que estaba produciendo para producir acero con un porcentaje menor de azufre, por ejemplo. Cuanto menor es la cantidad de dicha sustancia, mejor es el acero.

Longo dice que el acero brasileño llega a Estados Unidos un 30% más barato que el fabricadoen ese país, en función de las innovaciones aplicadas al sistema de producción. “Cuando empezamos a trabajar con CSN, hace 12 años, la producción era de 2 millones de toneladas anuales. Hoy en día, ésta se ubica en casi 5 millones de toneladas anuales, con los mismos equipamientos. El proceso es el mismo, únicamente cambiamos los refractarios”. La optimización de los equipamientos, que funcionan 350 días al año, eliminó las detenciones en la producción.

Etapa única
Las investigaciones del Liec no se resumen solamente a productos con aplicación inmediata. Materiales nanoestructurados (a escala de millonésimas de milímetro) están siendo estudiados en el laboratorio y deben estar disponibles para el desarrollo de varios equipamientos en las áreas de óptica y electrónica en los próximos años. También llamados nanocompósitos, éstos son producto de la mezcla de dos materiales diferentes a escala nanométrica.

Uno de estos compósitos, con prometedoras propiedades probadas en laboratorio, podrá aplicarse en nanocircuitos electrónicos para computadoras, con reducción del tamaño actual en 30 ó 40 veces y aumento de la velocidad de procesamiento, y en catalizadores (sustancias que aceleran las reacciones químicas), utilizados principalmente por las industrias farmacéutica, química y petroquímica, y para la generación de hidrógeno, con el objetivo de obtener energía limpia.

Para lograr ese nanocompósito, compuesto por una matriz de sílice o dióxido de silicio amorfo y partículas metálicas de níquel, se desarrolló una ruta de síntesis -basada en un polímero obtenido a partir del ácido cítrico-, un proceso denominado sol-gel, que utiliza reactivos químicos en el procesamiento y tan solo una etapa de tratamiento térmico, en cuanto que las demás exigen como mínimo dos. “Eso es lo que estamos patentando”, cuenta Leite. Este proceso también resuelve dos problemas de las nanopartículas metálicas: la aglomeración y la formación superficial de óxidos en ese material. “Como las nanopartículas metálicas cargan información magnética, el hecho de saber cómo se procesa y se organiza ese material constituye una ventaja enorme, ya que podemos aplicar esa tecnología a otros materiales”, dice Leite. Entre esas aplicaciones se encuentra un fotocatalizador (catalizador activado por la luz), destinado a limpiar aguas contaminadas.

Los estudios para evitar el crecimiento de partículas durante la preparación del material empezaron en 1999, con el óxido de estaño, cuando el equipo del Liec comenzó a trabajar con semiconductores nanoestructurados. “Utilizamos un dopante en el que se pone un átomo de tierra rara en la estructura del dióxido de estaño. Durante el calentamiento, el óxido de estaño expulsa a esos vecinos indeseables, los contaminantes, hacia la superficie, y en esa operación, el crecimiento es estancado”, resume Leite.

Ventaja tecnológica
Los investigadores del Liec también sintetizaron nanohilos y nanocintas del semiconductor de dióxido de estaño mediante un proceso más sencillo y barato que el presentado por los estadounidenses Zheng Wei Pan y Zu Rong Dai, en un artículo publicado en marzo del año pasado en la revista Science. Los norteamericanos obtuvieron esos materiales, con potencial aplicación en nanoelectrónica, utilizando un horno de vacío, lo que hace que el procedimiento se torne más caro y prácticamente inviable para la industria. Los brasileños, entretanto, llegaron a los mismos resultados utilizando un horno común, con forma de tubo. La patente de este proceso ya ha sido solicitada, y sus resultados fueron publicados en el Journal of Nanoscience and Nanotechnology, en abril de este año.

Las líneas de investigación en el Liec se extienden a otros materiales y aplicaciones, como el estudio de la fotoluminescencia en compuestos amorfos. Estos materiales, a ejemplo del vidrio, no tienen organización atómica interna definida, al contrario que los cristales, en los cuales los átomos o moléculas se distribuyen de manera organizada y regular. La fotoluminescencia se caracteriza por la emisión de luz por algunas sustancias y por la acción de la radiación que incide sobre ellas. Esa propiedad es conocida desde los años 60, pero únicamente en materiales cristalinos.

“Acabamos descubriendo una nueva clase de material luminescente”, cuenta el profesor Paulo Sérgio Pizani, del Departamento de Física de la UFSCar. En los experimentos realizados en laboratorio, se verificó la fotoluminescencia en titanatos de bario, calcio, estroncio y plomo, compuestos en estado amorfo, sin necesidad de condiciones especiales y de síntesis. La emisión de luz en esos compuestos amorfos se obtuvo a temperatura ambiente y en formas de polvo y materiales nanoestructurados (películas finas), permitiendo la aplicación en varios tipos de superficie.

Longo resalta que el gran aporte de la ciencia consiste en contribuir con el día a día de la gente. Y recuerda el papel desempeñado por la Empresa Brasileña de Investigación Agropecuaria (Embrapa, sigla en portugués). La tecnología desarrollada para la soja y la caña de azúcar, por ejemplo, fue fundamental para aumentar la productividad y la competitividad de esos productos, con significativo peso en la balanza comercial agrícola. El Liec cumple con ese precepto a rajatabla. Los resultados pueden verificarse en los productos desarrollados en asociación con la industria, y en los materiales con aplicaciones que, si bien hoy en día están muy distantes del ciudadano común, ciertamente tendrán implicaciones en los cambios en su cotidiano.

EL PROYECTO
Centro Multidisciplinario para el Desarrollo de Materiales Cerámicos – Cepid
Coordinador
Elson Longo – UFSCar
Inversión
R$ 1.204.888,02 (promedio anual)

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