MOMENTOS HISTÓRICOS DE LA TECNOLOGÍA DESDE EL PUNTO DE VISTA DEL

QUÍMICO

Esta Exhibición es una versión de la galería

‘Avances Tecnológicos’,

preparado por los miembros de la Sociedad Americana de Química bajo la dirección del Profesor Attila Pavlath.

Exhibición realizada en el

Departamento de Química Física de la Universidad Szeged, en Hungría

por

Nora Rideg, estudiante subgraduado,

Supervisado por

Veronika Nemeth, Catedrático Auxiliar

Auspiciado por la

Sociedad de Química en Hungría (MKE)

y la Sociedad Americana de Química

ENERGIA Y TRANSPORTACION

MOMENTOS HISTÓRICOS DE LA TECNOLOGÍA DESDE EL PUNTO DE VISTA DEL QUÍMICO

I. ENERGÍA Y TRANSPORTACIÓN

Los químicos y los ingenieros químicos han realizado importantes contribuciones en el ámbito de la energía y la transportación que nos ha permitido movernos por tierra, por aire y en el espacio. Para el siglo 19, personas calentaban sus hogares utilizando madera o carbón (“coal”), utilizaban lámparas de queroseno o velas para la iluminación y viajaban de un sitio a otro a caballo, por ferrocarril, en un barco de vapor o a pie. Según la demanda en energía ha ido aumentando en los últimos dos siglos, los químicos han ido desarrollando y mejorando las fuentes de energía tales como el combustible líquido, las baterías y muchas tecnologías novedosas como fuentes de energía. Los avances de la química han contribuido además a la revolución de la transportación, proveyendo nuevos y mejores materiales para automóviles, aviones, vehículos espaciales y las carreteras. La química ha revolucionado nuestras vidas debido a su capacidad en el proceso de extracción de metales, minerales y combustibles de los recursos naturales.

I.4. Combustibles petroquímicos Producción de gasolina del petróleo crudo Aditivos para combustible Convertidores catalíticos

I.5. Automotriz Materiales para comodidad y seguridad Componentes plásticos Tecnología de neumáticos

I.6. Aeronáutica Globos de aire caliente “hot-air balloons” Helio Combustible para cohetes Materiales de construcción para aviación y cohetes

I.1. Fuentes de energía Utilización de carbón como una fuente de energía Exploración y producción de petróleo Energía nuclear Fuentes alternas

I.2. Almacenaje de energía eléctrica y fuentes de energía portátil Baterías desechables Baterías recargables

I.3. Materiales para carreteras y puentes Concreto Asfalto Metales y aleaciones Mantenimiento y técnicas de reparación

ENERGÍA Y TRANSPORTACIÓN

Cronología

1882 Primera estación eléctrica de carbón suplidora de energía a los hogares. 1884 El alemán Gottlieb Daimler construye el primer automóvil con motor de pistón, encendido por ignición y gasolina como combustible. 1902 Se produce desde el petróleo crudo, el asfalto para la pavimentación de las carreteras. 1913 La pirólisis (rompimiento de moléculas de cadena larga con calor) de hidrocarburos del petróleo aumentan la producción de gasolina. 1921 Thomas Midgley, Jr. utiliza tetraetilo de plomo, un agente antidetonante como aditivo en la gasolina. 1936 El francés, Eugene Houdry desarrolla la pirólisis catalítica del petróleo para producir gasolina de alto octanaje. 1947 La compañía americana, B. F. Goodrich introduce los primeros neumáticos sin tubo interno. 1949 La compañía, Eveready Battery Co. miniaturiza la batería alcalina. 1954 Se desarrolla la primera batería solar a base de silicio en los laboratorios Bell. 1958 Entra en servicio los aviones de propulsión Boeing 707 y comienza la transformación de la transportación aérea. 1970s Se introducen los combustibles sin plomo; comienza la eliminación del plomo en la gasolina. 1975 Se introducen los convertidores catalíticos para los automóviles. 1980-1990s Baterías de ión litio son usados para teléfonos celulares y computadoras portátiles (laptops). 1981 La aeronave espacial Columbia se convierte en la primera nave espacial reusable en el mundo.

I.1. Fuentes de energía

Utilización de carbón como una fuente de energía

Para los años 1890, el carbón mineral reemplazó la madera como fuente principal de energía en los Estados Unidos. La primera central eléctrica de carbón fue construida en 1882, ésta permitía que una turbina de vapor rotara un generador que producía electricidad. Posteriormente en 1884, Charles Parsons desarrolló la turbina de vapor de alta velocidad mas eficiente. Luego, para los años 1920, el carbón pulverizado aumentó la eficiencia y redujo el aire necesario para la combustión. El horno de ciclón del 1940 requirió carbón mineral de baja calidad y produjo menos ceniza. Recientemente, la tecnología química ha desarrollado la combustión del “culm” (material de desperdicio de la minería de carbón) para producir electricidad y disminuir la contaminación al ambiente.

Turbina de vapor de Parsons (1907)

Charles Parsons

I.1. Fuentes de energía

Exploración y producción de petróleo

El descubrimiento del campo de aceite de Spindletop en Tejas en 1901 y la aparición del automóvil ocasionó que el petróleo superara el uso del carbón como principal fuente de energía para el 1951. La tecnología química del refinamiento del petróleo crudo para separar sus diferentes fracciones químicas ha ido mejorando continuamente, comenzando con la destilación atmosférica simple y progresando a la destilación al vacío (presión reducida), a la pirolisis y al uso de catalíticos. La química ha sido instrumental, primeramente por el proceso de recuperación de petróleo crudo de las excavaciones con (“diamond drilling bits y drilling muds”) además de las extracciones del aceite de esquisto bituminoso (oil-from-shale) utilizando una combinación de sustancias químicas y vapor. Además del proceso de recuperación secundario que incluye el bombeo de gas (CO2) a alta presión o soluciones acuosas en la tierra.

I.1. Fuentes de energía

Energía nuclear

El primer reactor nuclear fue desarrollado para uso militar en 1942. Las aplicaciones de la tecnología nuclear para usos pacíficos, incluyendo la generación de electricidad comenzó en 1951 con el Programa de Átomos para la Paz del Presidente Eisenhower. Desde entonces, la química ha jugado un papel importante, produciendo los materiales radioactivos utilizados como combustible en los reactores, las barras de control de los reactores que regulan el flujo de neutrones del decaimiento radioactivo, el reprocesamiento del “spent fuel rods”, el manejo de desperdicios radioactivos, la protección ambiental y la minimización de los efectos dañinos de la exposición a la radiación.

I.1. Fuentes de energía

Fuentes de energía alterna

Los llamados métodos verdes de generación de energía, tales como los molinos hidroeléctricos y geotermales, suplen menos de un por ciento de la generación de electricidad total en el mundo, sin embargo, según los economistas y la disponibilidad de recurso sostenibles, éstos juegan un papel importantísimo que hay que considerar. A través de la química se ha desarrollado la infraestructura para fuentes alterna, tales como, los paneles solares para la generación termal y fotovoltaica, los hélices livianos de carbono para la generación de viento, las turbinas de metal y concreto para las plantas hidroeléctricas y materiales resistentes a la corrosión para el aprovechamiento de fuentes geotermales.

La primera batería solar a base de silicio (1954)

I.2. Almacenaje de energía eléctrica y fuentes portátiles

Baterías desechables

El almacenaje de energía eléctrica fue desarrollada por Alessandro Volta a finales de los años 1700, y la química ha contribuido desde entonces a los adelantos de la electricidad con baterías. La celda seca de carbono-cinc de 1890 mejoró la versión de Leclanché. Se produjo comercialmente para el uso de las linternas portátiles y todavía se usan. En 1949, una nueva pasta alcalina para la batería tradicional mejoró el tiempo de vida de las baterías y permitió su miniaturización. Esta batería alcalina inmediatamente se utilizó para los aparatos eléctricos portátiles y las cámara. Desde entonces, nuevos modelos de baterías han sido usados tales como los de óxido de plata, óxido de mercurio o litio.

Batería de celda seca de carbono-cinc

I.2. Almacenaje de energía eléctrica y fuentes portátiles

Baterías recargables

La batería recargable de plomo-ácido de 1859 fue una versión comercial temprana en el que se usa una reacción química controlada que produce electricidad. Su versión mejorada en 1881 y subsiguientes adelantos hace que continúe como la mejor batería de uso común para automóviles y camiones. La primera batería recargable de níquel-cadmio, construida en 1899, fue muy costosa para uso comercial. Desarrollos modernos fueron enfocados en el uso del litio. Después del intento fallido de utilizar litio metálico en los años 1980, la batería ión litio se convirtió en la aplicación común para los teléfonos celulares y las computadoras portátiles (laptops).

I.3. Materiales para carreteras y puentes

Concreto

La construcción masiva de proyectos en la interestatal estadounidense de los años 1950 dependió fuertemente de la dureza y longevidad del concreto para las carretera y los puentes. El cemento Portland, hecho por primera vez en 1824 y patentado como concreto reforzado (cemento armado) por el francés, Joseph Monier en 1877, endurece lentamente “slow-sets” debido a una reacción química compleja en el que la pasta de cemento rellena los espacios vacíos entre el particulado y otros revestimientos. Su durabilidad y fuerza depende del control cuidadoso del proceso de manufactura del cemento. Añadir distintas sustancias químicas a la mezcla de cemento inicial puede reducir la contracción y mejora la resistencia a la corrosión.

I.3. Materiales para carreteras y puentes

Asfalto

El asfalto es un material de construcción popular para carreteras por su costo y cualidades. El asfalto natural se descubrió en 1595, pero no se mezcló con brea para uso en carreteras hasta 1902. Bitumol o betún (“Bitumen”), el residuo sólido o semisólido del proceso de refinería del petróleo rápidamente reemplazó el asfalto natural para pavimentar las carreteras. Recientemente se ha añadido polímeros sintéticos para mejorar las cualidades y durabilidad del asfalto. “Superpave” (el acrónimo en inglés de: Pavimentación con asfalto superior y de alta calidad - “Superior Performing Asphalt Pavements”) es la última tecnología para convertir el asfalto en un producto que puede resistir cargas pesadas y condiciones de clima adversas.

I.3. Materiales para carreteras y puentes

Metales y aleaciones

El acero se ha convertido en el material de infraestructura primaria para los puentes debido a sus cualidades de fortaleza, poco peso, durabilidad, fácil manejo y construcción; costos bajo de edificación y resistencia a desastres naturales como los terremotos. El acero de alta calidad introducido para los años 1990 tienen una fortaleza superior y una mejor resistencia a corrosión. Otra tecnología para la protección de acero en puentes es el proceso conocido como la metalización “metalizing”, en el cual el aluminio o cinc se rocía sobre la superficie limpia del acero para formar un revestimiento protector de 30 años.

I.3. Materiales para carreteras y puentes

Mantenimiento y técnicas de reparación

La infraestructura de las carreteras deben mantenerse sin deterioros significativos en todo tipo de clima y por largos tiempos. Las innovaciones en la construcción y los materiales de mantenimiento han permitido intervalos de tiempo mas largos entre reconstrucción de carretera. Selladores para el concreto, el asfalto y el acero son importantes para prolongar la vida útil de las carreteras. Otras sustancias químicas y materiales poliméricos funcionan como aditivos que unen y mejoran la calidad de las carreteras. Por ejemplo, el añadir estireno-butadieno-estireno al asfalto resulta en menos grietas y hoyos en las carreteras asfaltadas.

I.4. Combustibles petroquímicos

Producción de gasolina desde el petróleo crudo

Para mejorar la recuperación de la gasolina del petróleo crudo, las refinerías inicialmente usaban calor para romper las moléculas grandes del aceite viscoso en fracciones mas pequeñas utilizando el proceso conocido como pirólisis “thermal cracking” (1913). Como altas temperaturas también formaba productos secundarios indeseables, se usó la destilación fraccionada al vacío que operaba a temperatura mas baja en el 1928. El uso de un catalítico inerte (“catalytic cracking”) en vez de temperatura altas para obtener el rompimiento fue desarrollado por Eugene Houdry en 1936, y rápidamente revolucionó el proceso de refinería de gasolina en 1937.

Eugene Houdry con el modelo del

convertidor catalítico

I.4. Combustibles petroquímicosAditivos para combustible

Los motores de automóviles antiguos “detonaban” cuando se utilizaba gasolina de poca calidad. En 1921, se le añadió tetraetilo de plomo a la gasolina para que los motores funcionaran con suavidad y silenciosamente. Para el 1926, se introdujo un índice de octanaje para medir la calidad de la gasolina (tolerancia de compresión). El uso de aditivos que contenía plomo se descontinuó en los años 1970 debido a preocupaciones ambientales. Hoy día, pequeñas cantidades de sustancias químicas como (alcoholes y éteres) son añadidos a la gasolina para mejorar el octanaje, mejorar la calidad de la gasolina (desactivadores de metales) y reducir la fricción y el deterioro del motor (detergentes). Aditivos apropiado para distintas estaciones del año son usados en algunas áreas de preocupación geográficas, como la adición de metanol para prevenir el congelamiento de las líneas de combustible en áreas de frío extremo.

Thomas Midgley Jr. utiliza tetraetilo de plomo, un agente antidetonante como aditivo en la gasolina. (1921)

I.4. Combustibles petroquímicos

Convertidores catalíticos

Los convertidores catalíticos de dos etapas se introdujeron en 1975 para controlar las emisiones de monóxido de carbono e hidrocarburos. Luego se introdujo una tercera etapa para limpiar los óxidos de nitrógeno de los tubos de escape. La forma en que los convertidores catalíticos funcionan es produciendo una serie de reacciones químicas alrededor del metal, usualmente un catalítico de platino. Los óxidos de nitrógeno se convierten en gases de nitrógeno y oxigeno, monóxido de carbono se convierte en dióxido de carbono y los hidrocarburos sin quemar en agua y dióxido de carbono.

Convertidor catalítico de tres etapas

I.5. Automotriz

Materiales avanzados para diseño, seguridad y comodidad

El automóvil del siglo 21 no parece en lo absoluto a sus antecesores, en diseño, comodidad y seguridad para los pasajeros. Los faros de alta intensidad proveen máxima iluminación en las noches. La corrosión se ha reducido dramáticamente por el uso de revestimientos y materiales especiales. Refrigerantes químicos circulan en un sistema cerrado. El vidrio de seguridad automotriz se introdujo en 1914. Hoy día, polímeros especiales cubren el vidrio para reducir su peso y el ruido, además de protección contra la radiación ultravioleta y el brillo. Innovaciones en seguridad incluyen fibras polimerizadas para los cinturones de seguridad (requeridos en los años 1960) y bolsas de aire (requeridos en 1996).

I.5. Automotriz

Componentes de plástico

Gracias a los adelantos químicos ha ocurrido, la reducción del peso de los automóviles al realizar la transición de metales a plásticos e identificar materiales de alto rendimiento. Después de la Segunda Guerra Mundial los manufactureros de automóviles comenzaron a utilizar polímeros sintéticos a base de petróleo para los componentes estructurales rígidos por su dureza, tenacidad y resistencia al clima. Después de la crisis energética del 1970 se buscó un reemplazo de metales, a materiales de poco peso para mejorar la eficiencia. Las aplicaciones de diseño incluyen: caja de auto complejas fabricadas por moldeo de inyección, parachoques termoplásticos, fibras de polipropileno que son estable a la luz ultravioleta y fácil de colorear y pinturas especiales, revestimientos, además de adhesivos.

Fibras de polipropileno

I.5. Automotriz

Tecnología de neumáticos

Productos de hule natural apareció a principio de los 1800, pero fue impráctico por su suavidad o fragilidad en climas calientes o fríos. Un inventor americano, Charles Goodyear desarrolló el proceso de vulcanización para el hule natural en 1839, al entrecruzar el polímero con azufre. Todavía se utiliza este proceso básico pero se añade acelerante químicos y estabilizadores. Para 1945, el gaucho sintético se estaba produciendo comercialmente. Según aumentaba la demanda, se introducían otros materiales incluyendo el tubo interno para reemplazar el neumático de hule sólido, revestimiento con fibra natural o sintética para fortaleza, aditivos para reducir el deterioro por uso y eventualmente entró en servicio el neumático sin tubo interno.

I.6. Aeronáutica

Globos aerostáticos o de aire caliente (“hot air balloons”)

Desde 1783, cuando el primer humano voló en un globo impulsado con aire caliente proveniente de una flama, las innovaciones para los globos de aire caliente ha sido revolucionario. El aire caliente rápidamente fue reemplazado por hidrógeno, que era mas fácil de manejar. Vuelos en globos aerostáticos se han convertido en un deporte popular con mas de 5000 pilotos de globos en Estados Unidos. La química ha contribuido con el material de nilón duradero, económico y resistente al calor, además de la tecnología del propano liquido utilizado para la propulsión del globo.

I.6. AeronáuticaHelio

Aunque los globos propulsados por hidrógeno, como el famoso Hindenburg (1937), tenía una estructura sólida, la inflamabilidad del hidrógeno siempre presentó un peligro de seguridad. En 1905, dos químicos descubrieron helio natural en un pozo en Kansas y este elemento raro de pronto se encontró en plenitud. Durante la Primera Guerra Mundial la tecnología química extrajo, almacenó y exportó grandes cantidades de helio. En los años 1950, helio se utilizaba para soldaduras durante la construcción de cohetes y como propulsión de combustible para los cohetes o misiles “rockets”.

Desastre del Hindenburg (1937)

I.6. Aeronáutica

Combustibles para cohetes

Desde las primeras pruebas de lanzamiento de cohetes en los 1920, a los satélites de comunicación de los años 1950, a las aeronave espaciales reusable de los años 1980, el lanzamiento al espacio del ser humano es la hazaña mas asombrosa de la ingeniería. El exitoso viaje al espacio depende de la alta velocidad de propulsión que posee el cohete para superar la fuerza gravitacional de la Tierra. El primer cohete que se lanzó en 1926 utilizó combustible líquido de gasolina y oxígeno líquido como oxidante. Posteriormente, se ha utilizado varios combustibles líquidos y sólidos. La aeronave espacial (“Space Shuttle”) utiliza hidrógeno líquido como combustible pero el motor de lanzamiento usa un combustible sólido de aluminio y perclorato de amonio como oxidante/enlazante (oxidizer/binder).

I.6. Aeronáutica

Materiales de construcción para aviones y cohetes

Según el diseño de los aviones fue evolucionando de madera y tela a materiales de ingeniería sofisticados, la tecnología química ha provisto los materiales para cumplir con los requerimientos de diseño. Aleaciones utilizando aluminio y titanio se desarrollaron para proveer dureza, ligereza, estabilidad a altas temperaturas y resistencia a la corrosión para los aviones. Los cohetes o misiles usan materiales con unos requisitos especiales por las condiciones de temperatura extrema en el que se manejan. Un ejemplo es el revestimiento especial de sitios estratégicos de la nave que la protege cuando vuelve a entrar desde el Espacio a la Tierra. Después que se utilizó un compuesto exótico de zirconio, el diseño final del revestimiento utilizado fue fibras de sílica derivado de la arena común.