La próxima escasez de cobre: ​​¿Nanotubos de aluminio o de carbono al rescate?

Es poco probable que el uso de aluminio en el cableado haga sonreír a cualquiera que haya tenido que lidiar con él en una casa de la década de 1960 o principios de la de 1970. Las causas detrás de los incendios y otros accidentes fueron innumerables, incluida la falta de tratamiento de la mayor expansión térmica del aluminio, la naturaleza eléctricamente aislante del óxido de aluminio y la fragilidad general del aluminio cuando se tuerce.

Sin embargo, aunque el cobre es superior al aluminio en términos de conductividad eléctrica y facilidad de instalación, los precios del cobre se han disparado desde la década de 1970 y están a punto de despegar hacia la luna. Una gran parte de la razón es el mayor uso de cobre en todo, desde la electrónica y los motores eléctricos hasta los generadores, impulsado por el despliegue a gran escala de turbinas eólicas y vehículos eléctricos.

A medida que el mundo se mueve para expandir masivamente el uso de automóviles eléctricos y la instalación de turbinas eólicas, se prevé que la demanda de cobre supere la oferta actual de cobre. Dado que es probable que el aluminio obtenga un gran retorno como resultado, vale la pena echar un vistazo al cableado moderno a base de aluminio, incluido el aluminio revestido de cobre y el uso de reemplazos a base de carbono.

En retrospectiva, los precios del cobre no estaban tan mal en las décadas de 1960 y 1970, como podemos ver en el siguiente gráfico de los precios del cobre de los últimos 45 años:

Estos aumentos de precios están impulsados ​​en gran medida por una creciente demanda de más vehículos eléctricos y turbinas eólicas, que en los próximos años parece acelerarse, ejerciendo una mayor presión sobre los suministros existentes. Si bien el USGS ha identificado probables recursos de cobre sin descubrir, esto requiere que se establezca una operación minera, y no todo el mineral de cobre se puede extraer económicamente y convertir en cobre crudo.

A principios de este año, la Agencia Internacional de Energía (AIE) publicó un informe sobre el papel de los minerales críticos en la transición energética hacia fuentes bajas en carbono. Tomado de este informe, en las siguientes imágenes podemos ver los requisitos de metal relativos por tipo de fuente, por capacidad de salida nominal, así como los requisitos de material para vehículos eléctricos (EV) en comparación con los automóviles convencionales (ICE):

Mientras tanto, se espera que la curva de demanda esperada de cobre a la luz de las políticas actuales de desarrollo sostenible al mismo tiempo se parezca a la imagen a continuación, contrastada con la producción actual de las minas de cobre y las nuevas operaciones mineras esperadas.

No es sorprendente que, dado que muchas de estas políticas entraron en vigor alrededor del año 2000 y, junto con la creciente demanda de otras industrias, los precios del cobre han aumentado constantemente, mucho más allá de los máximos de la década de 1960 que hicieron que los posibles propietarios de viviendas decidieran entre instalar cableado de cobre o aluminio.

A este ritmo, podríamos ver el fin del uso común y la fácil disponibilidad del cobre en cuestión de años. Al mismo tiempo, como las propiedades del cobre lo hacen ideal para ciertas aplicaciones, otros usos que pueden estar bien con las alternativas pueden tener que buscar en otra parte. Es muy probable que esto signifique que todo, desde el cableado de la casa hasta la electrónica del cliente, pronto se encontrará fuera del mercado del cobre. ¿Qué alternativas existen y cómo se comparan con el cobre?

El cobre es uno de los favoritos para el cableado eléctrico por varias razones, una de las cuales es su excelente conductividad térmica y eléctrica. Esta es la razón por la cual el cobre es un material preferido para los disipadores de calor y para el cableado eléctrico tanto en las casas como en los dispositivos eléctricos. En comparación, el aluminio puro tiene solo el 61% de la conductividad eléctrica del cobre por sección transversal.

Sin embargo, el aluminio tiene una gran ventaja sobre el cobre, y es que es el doble de conductor eléctrico por masa, debido a la densidad del cobre a temperatura ambiente de 8,96 g/cm3, frente a los 2,70 g/cm3 del aluminio. Por esta razón, las aplicaciones en las que el peso es más importante, como el cableado de transmisión y distribución. Especialmente cuando se ejecutan grandes paquetes de cables entre torres, la mayor relación entre conductancia y peso del aluminio ofrece importantes beneficios.

Cuando se instala y utiliza correctamente, el aluminio es una buena elección como conductor eléctrico, pero eso no significa que sea la única opción. Algo que se ve comúnmente en el cableado desde la década de 1970 es el cable de aluminio revestido de cobre (CCA). Esto es básicamente lo que dice el nombre: un núcleo de aluminio que está revestido de cobre, lo que lo convierte en un bimetal. El objetivo principal de CCA es combinar los beneficios del cobre y el aluminio en un solo cable, lo que significa una conductividad más cercana a la del cobre, mientras se evitan las trampas del aluminio, ya que el método de instalación es el mismo que para el cable de cobre.

Si echamos un vistazo a las especificaciones que enumera Fujikura para CCA (también llamado CAW), podemos ver que si bien CCA no es tan bueno como el cable de cobre sólido, es significativamente mejor que el cable de aluminio sólido. Si a esto le sumamos los principales beneficios que agrega una piel de cobre en términos de casi eliminación de la fluencia térmica y compatibilidad con métodos y tecnologías de terminación compatibles con cobre, parecería ser una buena alternativa a ambos.

Curiosamente, CCA ha estado compitiendo con el cableado de cobre y aluminio desde hace un tiempo, particularmente para el cableado de construcción, como se señala en este excelente artículo de la revista IAEI sobre la historia del cableado de construcción de aluminio. Un detalle importante que agrega este artículo es que la creación de CCA requiere bastante mano de obra, lo que significa que su popularidad siempre ha dependido de los precios actuales del cobre.

El IAEI señala que hasta fines de 2005, los precios del cobre aún eran bastante bajos (como se indica en el gráfico anterior de precios históricos del cobre), pero desde entonces han subido hasta el punto en que CCA ahora es altamente competitivo con el cobre.

CCA no es el pináculo de la ciencia de los materiales cuando se trata de conductores eléctricos. Las estructuras basadas en carbono, como los nanotubos de carbono (CNT), tienen una conductividad eléctrica mucho más alta que el cobre, al igual que el grafeno. El problema principal es que hacer cables con ellos no es exactamente sencillo. Sin embargo, ¿qué pasaría si pudieran fusionarse con un metal como el aluminio, o incluso convertirse en cables?

Un artículo de Lekawa-Raus et al. publicado en 2014 titulado Propiedades eléctricas de las fibras basadas en nanotubos de carbono y su uso futuro en cableado eléctrico examina la literatura de investigación en ese momento sobre la producción de fibras CNT, que se pueden hilar en cables CNT. Según la investigación, estos cables tendrían una conductividad eléctrica y un peso superiores, superando fácilmente tanto al cobre como al aluminio en todos los aspectos.

La conexión de estos cables CNT podría manejarse con una soldadura de carbono, que en ese momento estaba en desarrollo en Cambridge. Aun así, quedaban muchos desafíos para producir CNT impecables con la morfología adecuada, especialmente cuando se trasladaba de un laboratorio a un entorno industrial. Muchas de estas preocupaciones permanecen en 2020, cuando Cesano et al. realizó otro estudio de revisión. Señalan que, aunque se han logrado avances en los años intermedios, los cables de carbono completo siguen siendo una perspectiva futura.

Aun así, las fibras CNT se pueden comprar comercialmente por cantidades de dinero no del todo locas, así como los compuestos CNT con cobre y otros metales como la plata y el oro. Estudios recientes de Zhang et al. (2018), Pradhan et al. (2020) y Chyada et al. (2017) muestran mejoras en la conductividad térmica y la conductividad eléctrica, así como en la resistencia a la tracción, respectivamente, para compuestos de grafeno y aluminio.

La adición de CNT también ha encontrado uso en otras aplicaciones, como el refuerzo mecánico de piezas de aluminio, con Nyanor et al. (2020), que detalla una matriz de aluminio reforzada con CNT, así como partículas de carburo de titanio (TiC) de tamaño micrométrico. Esto crea un material que tiene 2,3 veces la dureza del aluminio puro, con una resistencia al desgaste significativamente mejorada.

La empresa Yazaki de Japón ha presentado numerosas patentes sobre materiales compuestos Al-CNT que están destinados a ser utilizados en los próximos productos de alambre. Mientras tanto, Tirupati Graphite Plc ha hecho afirmaciones sobre un compuesto de Al-grafeno que afirma tener una conductividad eléctrica similar al cobre, una mejor conductividad térmica que el cobre y una mejor microdureza que el cobre.

Con los altísimos precios del cobre como perspectiva potencial en los próximos años, parecería pertinente analizar detenidamente las alternativas disponibles. Si CCA es una alternativa aceptable al cobre depende de muchos factores, pero con los datos de uso del mundo real disponibles durante las últimas cinco décadas para el cableado doméstico y otras aplicaciones, es al menos una cantidad conocida.

Quizás más emocionante es la perspectiva del cableado basado en grafeno y CNT, que ofrece más que una simple compensación en comparación con el cobre. En cambio, esto puede dar como resultado una alternativa al cobre que es mejor en todos los aspectos, con mejor conductividad, mayor resistencia a la tracción, mayor resistencia a la corrosión y mayor conductividad tanto para una sección transversal como para un peso determinados.

Desde la perspectiva de un aficionado, CCA es probablemente la alternativa más probable con la que terminará, en función de una perspectiva de costo y facilidad de manejo. Como se comporta y se puede procesar de manera similar al alambre de cobre, incluida la soldadura con aleaciones de soldadura estándar, puede reemplazar el alambre de cobre con solo una pequeña protuberancia en el diámetro para compensar la peor conductancia eléctrica.

Sin embargo, sería genial si las generaciones futuras conectaran sus proyectos con cables CNT y soldaduras a base de carbono. Aquí hay más carbono en nuestro futuro.