¿Cómo se fabrican las bicicletas? De la mina al mercado

¿Cómo se toma un trozo de mineral de hierro o un tanque de productos petroquímicos y se convierte en una bicicleta?

Antes de unirme a Cyclingnews, me formé como geólogo minero. Durante la mayor parte de una década, trabajé para empresas cuyo objetivo era encontrar nuevos recursos naturales y extraerlos de la tierra. Una cosa que realmente me llamó la atención fue que, en general, existe una enorme desconexión entre el consumidor y la producción de los bienes que consume.

Ya sean los minerales raros en cada teléfono inteligente o el platino en cada convertidor catalítico, la expectativa parecía ser que los productos se produjeran 'en una fábrica'. Lo mismo parece ser cierto para las bicicletas. Ves ciclistas con razón orgullosos de la calcomanía en el tubo del sillín que declara que la bicicleta fue "Fabricada en Gran Bretaña" o "Fabricada en EE. UU.", pero ¿qué significa esto realmente? ¿Dónde se 'fabrican' las bicicletas?

Hay un dicho en la industria minera: "Si no puedes cultivarlo o atraparlo, tienes que desenterrarlo". Es una frase simple, pero no por ello menos cierta. Cada bicicleta, ya sea de carbono, acero, aluminio o titanio, comienza su vida como materia prima dentro de la corteza terrestre. Antes de que las mejores bicicletas de carretera terminen en el taller, han pasado por muchos procesos para convertirse en algo que una empresa de bicicletas pueda convertir en un producto terminado.

Aunque esto inevitablemente tocará la sustentabilidad, ese no es el objetivo del artículo, principalmente por razones de concisión. En su lugar, espero proporcionar una idea de la producción a gran escala.

Para muchos de nosotros, las bicicletas constituyen una cuña bastante grande en el gráfico circular de nuestras vidas. Se comen nuestros ingresos disponibles y ocupan nuestros sueños. Son importantes para nosotros, pero en el gran esquema de las cosas, la proporción de material que utiliza la industria de las bicicletas como proporción de la fabricación en su conjunto es muy pequeña.

El porcentaje de mineral de hierro que termina como tubería de triple conificado de alta resistencia es esencialmente cero cuando se compara con la industria de la construcción. El volumen de petróleo que se destina a la producción de carbono preimpregnado para bicicletas es prácticamente cero en comparación con el que se utiliza para combustible o plásticos. El aluminio se usa para todo, desde la construcción de aeronaves hasta cafeteras para estufas, y nuevamente la producción de bicicletas es una pequeña proporción del total. El uso de titanio es mucho menor que el de acero, pero las bicicletas de titanio también se producen en cantidades mucho más pequeñas que sus otras hermanas metálicas.

Si bien lo que lee a continuación puede ayudarlo a realizar compras informadas, recuerde que la producción de bicicletas como industria tiene un impacto mucho menor que muchas otras y produce opciones de transporte ecológicas y provisión de movilidad para millones. Sin embargo, es uno en el que puede votar fácilmente con su billetera, y todo ayuda si su objetivo es un futuro más sostenible.

Comenzaremos con cómo se fabrican las mejores bicicletas de carretera de acero, ya que es una buena base para la industria en general. El acero representa el 95 por ciento del uso anual de metales a nivel mundial, y dado que el porcentaje de carbono en el acero es una cuestión de un par por ciento como máximo, podemos usar hierro y acero como sinónimos cuando hablamos en términos globales. Los números involucrados pueden hacerte perder fácilmente el sentido de la escala; en 2015 se extrajeron de la tierra más de dos mil millones de toneladas de mineral de hierro. Para poner eso en contexto, es el mismo peso que dos millones de portaaviones que se extraen del suelo año tras año.

El mayor productor de mineral de hierro es Australia, seguido de Brasil y China. El acero de su cuadro de acero inoxidable personalizado o la vieja bicicleta de montaña de su madre comenzó su vida como una roca oxidada, muy probablemente en el interior de Australia. Se extrajo del suelo en algunas de las minas más grandes del mundo y se colocó en un tren de 1,5 millas de largo para un viaje a través del desierto hasta una fundición en la costa.

La minería, como se puede imaginar, es relativamente intensiva en energía. La industria minera consume aproximadamente el 10 por ciento de la energía global y, dado el uso de energía dentro del sector, significa que el cuatro por ciento de toda la energía producida a nivel mundial se destina a triturar rocas, y una vez que se extrae de la tierra, hay que convertirla. de un mineral a un metal. Este proceso, conocido como fundición en el caso de la mayoría de los metales, incluido el acero, toma el mineral o el concentrado metálico (un polvo que tiene un contenido de metal relativamente alto, más que la roca de la que proviene) y lo calienta hasta el punto en que el producto químico los enlaces se rompen, separando el hierro de los desechos, conocidos como escoria. El proceso básicamente se ha mantenido sin cambios desde la edad del hierro, pero se ha ampliado significativamente. Agregar carbono en este punto produce acero y se agregan otros metales como el molibdeno para crear aleaciones específicas. Fundir suficiente acero para un solo cuadro de bicicleta de 1,5 kg requiere la misma cantidad de energía que un hogar estándar del Reino Unido usa en un día.

A los consumidores de hoy en día les gusta la capacidad de rastrear sus consumibles hasta el origen, pero en el caso del acero y otros metales, esto no es realmente posible. Las fundiciones toman el mineral de las minas, tanto nacionales como extranjeras, según su ubicación y la producción global, y una vez que se ha ido al crisol, no hay forma de saber qué ha venido de dónde; Es como hacer un pastel con cuatro huevos internacionales y tratar de averiguar de qué país proviene el huevo en tu porción.

Ahora tenemos acero, ¿verdad? ¡Entonces hagamos algunas bicicletas! Por desgracia, no del todo. Las materias primas ya han viajado potencialmente cientos o miles de millas hasta la fundición para convertirse en acero, pero las fundiciones, si producen algún producto, tienden a fabricar solo cosas grandes, como vigas y vías férreas. De lo contrario, venden su acero en bruto a productores secundarios, lo que probablemente implicará un transporte posterior a una fábrica donde, con el fin de fabricar bicicletas, se produzcan tubos de acero sin costura.

Estos tubos sin costura de una aleación específica de alta resistencia se envían luego a un fabricante de tubos, como Reynolds en Birmingham, Reino Unido, donde podemos comenzar a ver que las cosas adquieren forma de bicicleta. Tuve la suerte de conversar con Reynolds para repasar algunos puntos clave.

Me imagino que para algunos de ustedes, la información anterior podría haber sido reveladora sobre los recursos globales necesarios para fabricar algo de metal, pero hablar con Reynolds me dio motivos para ser optimista. La conclusión principal de nuestra charla fue que, teniendo en cuenta que la edad del hierro comenzó en el año 1200 a. C., el conocimiento sobre la realeación de metales antiguos está muy bien establecido. Como tal, toda la tubería de acero de Reynolds en el nivel 853 y superior (aquellas con tubería cruda importada de Alemania) es 100 por ciento de material reciclado. Los que están por debajo de 853 se producen en Taiwán y China, como probablemente sea cierto para gran parte de la industria en su conjunto, y se reciclan en su mayoría. Las cifras exactas son difíciles de cuantificar, principalmente debido a la reticencia de China a compartir sus datos.

Eso no es para negar el último número de párrafos; el acero virgen debe producirse a partir de materias primas en algún momento, pero el hecho de que pueda reciclarse casi infinitamente, y que lo sea, son puntos positivos importantes cuando se considera el acero como material para la construcción de bicicletas.

Los tubos de calibre recto llegan a Reynolds y se unen a los perfiles elegidos antes de enviarlos finalmente a un fabricante de marcos que luego los corta en inglete y los suelda o suelda hasta obtener un producto terminado. Si se descuenta el costo energético de producir el acero crudo, dado su estado reciclado (uno para debate), la mayor parte del costo energético proviene del transporte.

Para el acero de mayor eficiencia energética, buscaría un juego de tubos 853 (materias primas procedentes de Alemania) integrado en una bicicleta por un fabricante del Reino Unido y vendido en una sala de exposición del Reino Unido. En el otro extremo del espectro, podría imaginar fácilmente un escenario en el que las materias primas del Lejano Oriente se terminaran en tubos en Birmingham, se enviaran a Taiwán para convertirlas en un marco, antes de enviarse de regreso a una sala de exposición europea.

¿Cómo se compara eso con lo que se necesita para producir las mejores bicicletas de carretera de aluminio?

El aluminio ocupa un término medio en términos industriales entre la simplicidad pero la enorme escala del acero y la extrema complejidad de la producción de titanio. Es el elemento metálico más común que se encuentra en la corteza de nuestro planeta, pero esto no significa que simplemente pueda tomar una pala y comenzar a cavar; para producir aluminio puro se necesitan yacimientos conocidos como bauxitas. Estos son, en términos simples, rocas y suelos ricos en óxido de aluminio. Se forman en ambientes tropicales y subtropicales, donde el calor y la humedad adicionales erosionan químicamente los minerales de desecho más débiles y concentran de manera efectiva el aluminio en el ambiente de forma natural.

Una ventaja adicional de este proceso es que los depósitos se encuentran en la superficie o muy cerca de ella, lo que hace que extraerlos sea una tarea (relativamente) fácil. China, seguida de cerca por Australia, lidera el camino en la producción mundial de bauxita.

Una vez que la bauxita está fuera del suelo, debe convertirse en alúmina antes de que finalmente pueda refinarse en lingotes utilizables. Esto se hace mediante el proceso Bayer, disolviendo la bauxita en sosa cáustica a alta temperatura y luego dejándola enfriar. La alúmina (óxido de aluminio) quiere permanecer en solución más que los productos de desecho, por lo que todos los desechos se depositan en el fondo como un lodo rojo, lo que permite que la alúmina se separe y luego se caliente para eliminar el agua restante en el producto químico. estructura.

Ahora la alúmina se puede convertir en aluminio puro mediante el proceso de electrólisis, en lugar de la fundición. La alúmina se disuelve en criolita fundida (una mezcla solvente de ácido fluorhídrico, hidróxido de aluminio y bicarbonato de sodio) en enormes tanques revestidos de grafito. Varillas de grafito están suspendidas en estos tanques y una corriente constante 1000 veces mayor que la requerida para arrancar un automóvil pasa a través del líquido. En la base cargada negativamente del tanque, los átomos de aluminio disueltos en la criolita reciben electrones para producir aluminio líquido puro, que se puede extraer de forma intermitente utilizando una aspiradora gigante. Por el contrario, en las barras positivas, los iones de oxígeno pierden electrones y reaccionan con el grafito para producir dióxido de carbono.

Si está sentado pensando: "Apuesto a que bombear 400 000 amperios a través de un tanque de líquido a 1000 grados seguramente consume mucha energía". tendrías razón; producir aluminio a partir de una mezcla típica de 80 por ciento de material virgen y 20 por ciento de material reciclado requiere 22 veces el consumo de energía que el del acero reciclado. Por este motivo, las plantas de electrólisis suelen estar situadas justo al lado de una central eléctrica. En países con energía renovable esto podría estar al lado de una planta hidroeléctrica. En el caso de China, el 93 por ciento de la producción de aluminio obtiene su energía de las centrales eléctricas de carbón.

El aluminio se recicla fácilmente y tiene una industria bien establecida en torno al proceso. Producir aluminio puramente reciclado es, a todos los efectos, el mismo consumo de energía que el del acero reciclado. A menos que se publique, es probable que el aluminio de cualquier cámara de bicicleta provenga de una mezcla de material virgen y reciclado.

De la misma manera que el acero y el titanio, el aluminio en bruto se fabrica en tubos a partir de materias primas y está sujeto a los mismos niveles de transporte global, antes de enviarse a los fabricantes de bicicletas. El aluminio generalmente se moldea mediante un proceso de hidroformado, en el que se introduce agua a ultra alta presión en el interior del tubo mientras se aloja en un molde, lo que permite la desviación de las secciones transversales redondas tradicionales de acero y titanio.

A pesar de lo que muchos ciclistas considerarían como el más exótico de los principales materiales para bicicletas, el titanio es el cuarto elemento metálico estructural más abundante en la corteza terrestre (detrás del hierro, el magnesio y el aluminio). ¿Por qué, entonces, los tubos de titanio son mucho más caros que los equivalentes en acero o aluminio?

Mientras que para el acero esencialmente derrite una roca oxidada y arroja un poco de carbón, y para el aluminio arroja óxido de aluminio en un baño electrificado, obtener un trozo utilizable de titanio es mucho más complicado.

La extracción de la materia prima consiste en separar los granos de arena, afortunadamente en un proceso automatizado. El mineral principal, un óxido de hierro y titanio, existe en depósitos de ríos antiguos y actuales, básicamente lechos de ríos antiguos secos. Estas viejas arenas de río se vierten, caprichosamente, por un tobogán gigante sin orden ni concierto, y como los granos ricos en titanio son más pesados ​​que los granos de cuarzo, eventualmente se separan en una sola corriente que se puede desviar para un procesamiento posterior extenso.

El hierro en el óxido de hierro-titanio está, químicamente hablando, en el camino, y primero se elimina calentándolo a 1.600 grados centígrados con una pizca de carbón de alta calidad, o se disuelve hirviendo ácido clorhídrico caliente para dejar óxido de titanio. El 95 por ciento de este TiO2 se utiliza como pigmento blanco, pero el cinco por ciento destinado a convertirse en un bulto plateado brillante debe someterse a algunos pasos más.

El cinco por ciento restante se somete a lo que se conoce industrialmente como el Proceso Kroll. El mineral de titanio se calienta en un horno en presencia de cloro gaseoso para producir tetracloruro de titanio gaseoso, que luego se enfría y se condensa en un líquido, conocido coloquialmente como Tickle debido a la fórmula química, TiCl4.

Dado que no se puede hacer una bicicleta con líquido, este Tickle se calienta durante cuatro días en presencia de magnesio, lo que hace que el cloro cambie de lealtad y se una al magnesio más reactivo, dejando titanio sólido. Luego, se succiona todo el aire del tanque caliente de productos químicos para crear un vacío, extrayendo el cloruro de magnesio y creando una esponja de titanio llena de agujeros.

Esta esponja luego se tritura hasta obtener un polvo grueso antes de ser compactada en un bloque casi sólido por una prensa hidráulica gigante. Finalmente, puede fundirse en un lingote y fabricarse cosas, principalmente por la industria aeroespacial.

Como se puede imaginar, este proceso consume relativamente mucha energía. Para obtener metal de titanio a partir de un mineral concentrado se requiere 60 veces más energía que para producir el mismo peso de acero a partir de acero reciclado. Aunque esto no es necesariamente una comparación similar, el acero tiene una red de reciclaje bien formada a escala global, de la que carece el titanio.

Al igual que con el acero, la mayoría del metal producido no termina en bicicletas de alta gama. La mayoría se destina a cosas como aviones, con un Airbus A380 que requiere 77 toneladas del material. Aunque el acero se recicla fácilmente, dado el mayor costo de producción, la industria derrocha mucho menos con el titanio. Una gran cantidad de piezas aeroespaciales se muelen a partir de lingotes sólidos y las virutas (virutas de metal) se recogen y se vuelven a fundir en metal. Volviendo a hablar con Reynolds, que también produce juegos de tubos de titanio, resulta que el 100 % de sus tubos de titanio están hechos de desechos aeroespaciales.

Si está interesado en la fuente de su titanio, es probable que haya comenzado su vida en China, que produce más del doble del siguiente mayor productor nacional, Sudáfrica. Naturalmente, al igual que con el aluminio y el acero, las materias primas también habrán pasado un tiempo significativo en tránsito por todo el mundo.

Como un pequeño alivio de los grandes números involucrados en la producción de hierro y acero, podemos pasar al gigantesco mundo de la extracción de hidrocarburos. La fibra de carbono, tanto las propias fibras de carbono como las resinas en las que se encuentran, son productos de la industria petroquímica y, como tales, dependen de la extracción de petróleo. El petróleo es, después de todo, solo varias cadenas de carbono en una sopa espesa.

La extracción de petróleo es un poco más familiar para la persona promedio que las complejidades de la industria minera. Una plataforma petrolera, ya sea en tierra o en el mar, perfora un depósito subterráneo de material negro y lo bombea. Naturalmente, es más complicado que eso, pero sin salirse por la tangente innecesaria, eso es todo lo que realmente se necesita saber desde el punto de vista de la extracción de material.

La industria petrolera es, en gran medida, responsable de los materiales de los que dependemos para la vida diaria, desde los plásticos de nuestras botellas de agua hasta el helio de nuestros globos de cumpleaños. Hacer un cuadro de fibra de carbono requiere mucha química, por lo que intentaré generalizar tanto como sea posible.

Las mejores bicicletas de carretera de carbono, cuadros y componentes de fibra de carbono, se componen más o menos de dos partes: las propias fibras y la resina en la que se engarzan. Ambos son derivados del petróleo. Las fibras de carbono comienzan su vida como una tina de productos químicos (disolventes, catálisis y los componentes básicos de una cadena de polímeros: monómeros). De la misma manera que se producen los hilos de nailon, los hilos de polímero se hilan a partir de este líquido rico en monómeros, se estiran al grosor deseado y luego se enjuagan para eliminar cualquier residuo.

En este punto, son lo que se puede considerar en términos generales como similares al nailon. Fuerte, flexible, pero no muy útil para hacer una bicicleta. Para convertir los hilos de polímero plástico en carbono, se tuestan a alta temperatura, ya sea en una atmósfera no reactiva o al vacío, momento en el que los átomos de polímero se 'carbonizan'. Ahora tiene un hilo largo de carbono, que puede tejerse en una estera o colocarse paralelo a otras fibras en lo que se conoce como fibra de carbono unidireccional.

Las resinas en las que se fijan las fibras también son derivados de la industria petrolera, pero los procesos químicos involucrados en la producción de epoxi son un poco más complejos y mucho menos emocionantes. Solo debes saber que la totalidad de un cuadro de carbono de gama alta, las ruedas de carbono y cualquier otro kit de acabado comenzó su vida en las profundidades de un antiguo pantano en descomposición.

Las láminas de fibras de carbono tejidas a menudo se impregnan con resina termopolimerizable, en lo que se conoce como carbono preimpregnado. Estos se colocan en un molde en orientaciones específicas para producir resistencia o flexibilidad donde el fabricante lo desee. Una vez que se ha colocado una bicicleta entera, se hornea el molde y dentro se infla una cámara de goma para presionar las fibras hacia los bordes. Una vez que la cocción ha curado las resinas, se puede quitar un marco completo u otro componente para el acabado.

La industria petrolera, a veces con razón, tiene mala reputación en algunos círculos. Sin embargo, el porcentaje de aceite que realmente se utiliza para fabricar los cuadros de las bicicletas es tan minúsculo que optar por evitar un cuadro de carbono como saludo con dos dedos a Big Oil es, lamentablemente, un gesto un poco inútil. Se produce suficiente petróleo en todo el mundo para llenar cuatro piscinas olímpicas cada minuto, las 24 horas del día, los 365 días del año. Suponiendo cinco kilogramos de fibra de carbono en una bicicleta de carrera completa, la industria petrolera podría producir 33 bicicletas completas cada segundo.

Oyes que la gente se refiere coloquialmente a las bicicletas de carbono como "plásticas" como una broma, pero es una broma que quizás sea demasiado cercana al hueso si eres fanático de reducir tus desechos. Los marcos de acero, aluminio y, con un poco más de dificultad, titanio se pueden reciclar en nuevas bicicletas, vigas, latas de bebidas o aviones. Sin embargo, la fibra de carbono, como tantos plásticos, es notablemente resistente a la descomposición. Aunque la energía necesaria para producir un cuadro de carbono es inferior a la de las alternativas de metal, no hay forma de reciclar un cuadro de carbono y, como tal, al final de su vida útil está destinado a terminar sus días en un vertedero, donde permanecen durante decenas de miles de años.

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Will se unió al equipo de Cyclingnews como escritor de reseñas en 2022, habiendo escrito previamente para Cyclist, BikeRadar y Advntr. Hay muy pocos tipos de ciclismo en los que no ha incursionado, y tiene un cariño especial por las bicicletas más antiguas y los componentes de larga duración. La conducción en carretera fue su primer amor, antes de graduarse para competir en CX en Yorkshire. Ha estado de gira en un tándem vintage hasta montar en gravel con piñón fijo y también en MTB. Cuando no está montando una de sus muchas bicicletas, generalmente se lo puede encontrar en el garaje haciendo sus propios cuadros y componentes como constructor de cuadros a tiempo parcial, restaurando viejas bicicletas de montaña o paseando a su collie en Lake District.

Altura: 182cm

Peso: 72Kg

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