Energía
Reimaginando la Industria del Carbón a través de los Puntos de Carbono
En diciembre de 2023, 198 países signatarios en la Conferencia de las Partes (COP) acordaron colectivamente que el mundo debe “transicionar” lejos de los combustibles fósiles como el carbón de una manera “justa, ordenada y equitativa” para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero a casi cero para 2050. Sin embargo, aún no hay cronogramas, por lo que los combustibles fósiles seguirán siendo el pilar de las economías en todo el mundo en los años venideros.
El carbón es la fuente de energía más dominante y con mayor intensidad de carbono del mundo. Los cuatro tipos principales de carbón incluyen:
(i) Antracita
(ii) Bituminosa
(iii) Subbituminosa
(iv) Lignito
Este combustible fósil representa más del 37% del suministro mundial de electricidad, desempeñando un papel fundamental al alimentar hogares e industrias y aliviar la pobreza energética del mundo. Incluso hoy, alrededor de 860 millones de personas en todo el planeta viven sin acceso a la electricidad. Por lo tanto, la vida moderna es simplemente inimaginable sin carbón.
El consumo mundial de carbón alcanzó un récord en 2023, ya que la demanda de este combustible fósil aumentó un 1,4 % en el año, superando los 8,5 mil millones de toneladas métricas por primera vez, informó la Agencia Internacional de Energía (IEA). Se prevé que su consumo global se mantenga por encima de los 8 mil millones de toneladas métricas en 2026.
El carbón es un recurso esencial para enfrentar el desafío del rápido aumento del consumo de energía, ya que es significativamente más barato y más accesible que otros combustibles fósiles. A diferencia del petróleo y el gas, se encuentra en abundancia en todo el mundo.
Lo particular del carbón es que no requiere tuberías de alta presión, procesos costosos ni protección cara durante el transporte, lo que lo hace más fácil de almacenar y transportar que otros combustibles fósiles altamente inflamables. Además, antes de ser utilizado, el carbón solo necesita ser extraído, a diferencia de otros combustibles fósiles, que requieren un proceso de refinación largo y costoso.
Sin mencionar, las reservas de carbón están distribuidas de manera mucho más equitativa alrededor del planeta. A enero de 2020, EE. UU. tiene las mayores reservas de carbón del mundo, constituyendo casi el 90 % de todas las reservas de combustibles fósiles, con una estimación de 250 mil millones de toneladas.
Además de ser más barato y accesible, el carbón también es muy versátil y puede utilizarse en una variedad de procesos. El carbón se utiliza principalmente para la generación de energía eléctrica en todo el mundo y es, de hecho, una forma de energía asequible, ya que la electricidad generada por carbón es menos costosa que la generada por otras fuentes.
Incluso en EE. UU., el carbón se utiliza para producir electricidad quemando el combustible fósil en centrales eléctricas. El calor resultante se usa para convertir el agua en vapor a alta presión, que impulsa una turbina y luego produce electricidad. En 2019, aproximadamente el 23 % de toda la electricidad en EE. UU. fue generada por centrales de carbón, según la Administración de Información Energética de EE. UU.
Este combustible fósil también se utiliza para producir acero y hormigón y es un componente esencial en la fabricación de hierro, así como de otros metales como el aluminio y el cobre. El carbón y sus subproductos también se emplean en filtros de agua y sistemas de purificación de aire, en la construcción de aviones y automóviles, en medicamentos y en procesos químicos para extraer elementos de tierras raras.
Luego están los casos de uso de gasificación y licuefacción del carbón, con la mayoría de los proyectos de carbón a gas ubicados en EE. UU. y China, y algunos en Australia, Canadá, India, Sudáfrica e Indonesia. Además de producir bloques químicos básicos, como amoníaco, metanol y urea, el carbón también se utiliza en las industrias del papel, textil y vidrio. Junto con la fabricación de fibra de carbono, proporciona ingredientes como metales de silicio, que se usan para producir componentes para los sectores de cuidado personal y del hogar.
A pesar de la abundancia, el bajo costo y la fiabilidad del carbón, la industria enfrenta desafíos en forma de desarrollo de tecnologías y vías hacia cero emisiones, lo cual se identifica como un factor del cambio climático.
Reevaluando el Papel Económico del Carbón
A medida que los países de todo el mundo se comprometen a transitar a otros medios de producción de energía debido a su contribución al cambio climático, los investigadores y científicos están buscando otras formas de utilizar el carbón.
Para reevaluar el papel económico del combustible fósil, la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, el National Energy Technology Laboratory, la Universidad de Illinois Urbana-Champaign y el Oak Ridge National Laboratory se unieron en un esfuerzo de investigación conjunto y demostraron el papel crítico que el carbón puede desempeñar en los dispositivos electrónicos de próxima generación.
En los últimos años, se ha llevado a cabo mucha investigación en el campo de los materiales 2D debido a sus propiedades eléctricas, ópticas y mecánicas. La síntesis de una variedad de materiales 2D atómicamente delgados abre una nueva plataforma de materiales capa por capa que permite explorar propiedades desconocidas, prometiendo una gama de nuevas tecnologías.
Los semiconductores en capas 2D poseen características como alta movilidad, conmutación de bajo consumo, una banda prohibida relativamente grande y la disponibilidad de métodos de crecimiento a gran escala, lo que los convierte en candidatos prometedores para la próxima generación de electrónica. Ahora, se está experimentando con el carbón para su uso en dicha electrónica.
“El carbón suele considerarse algo voluminoso y sucio, pero las técnicas de procesamiento que hemos desarrollado pueden transformarlo en materiales de alta pureza de solo un par de átomos de espesor.”
– dijo Qing Cao, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de Illinois que co-dirigió el esfuerzo.
También señaló:
“Sus estructuras atómicas únicas y propiedades son ideales para crear algunos de los dispositivos electrónicos más pequeños posibles con un rendimiento superior al del estado del arte.”
Bajo esta colaboración, los investigadores desarrollaron un proceso que convirtió el carbón vegetal en discos de carbono extremadamente pequeños, llamados “puntos de carbono”.
Como mostró el grupo de investigación, estos discos de carbono a nanoescala pueden conectarse para crear membranas atómicamente delgadas. Estas membranas pueden usarse en aplicaciones tecnológicas como transistores bidimensionales (2D) y memristores. Según los investigadores, estas tecnologías serán críticas para construir electrónica más eficiente.
Mientras que los materiales basados en carbono, ya sea carbono industrial tradicional como el negro de carbono o carbono industrial nuevo como el grafito y las fibras de carbono, juegan papeles importantes en el desarrollo de la ciencia de materiales, el material de carbono macroscópico no puede usarse realmente como un material fluorescente eficaz debido a la falta de una banda prohibida adecuada. Aquí es donde los puntos de carbono (CDs) han surgido como una solución prometedora.
Los puntos de carbono o CDs son un nuevo tipo de nanomaterial basado en carbono que ha atraído mucha atención e interés de investigación debido a sus diversas propiedades fisicoquímicas. Los puntos de carbono se formulan meticulosamente y suelen ser menores de 10 nm de tamaño. Este nanomaterial basado en carbono posee características como pequeño tamaño, ecología, bajo costo, baja toxicidad, alta estabilidad, buena biocompatibilidad, movilidad electrónica, alto rendimiento cuántico, abundantes grupos funcionales y propiedades ópticas únicas, incluyendo fuerte absorción, fotoluminiscencia y fosforescencia.
Todas estas cualidades hacen que este nuevo material de la familia del carbono sea tan popular y tenga muchas aplicaciones. Esto incluye:
- Sensores
- Cifrado de información
- Fotocatálisis
- Diodos emisores de luz
- Detección química
- Celdas solares
- Supercondensadores
- Baterías recargables
- Bioimagen
- Fototerapia
- Entrega génica
- Entrega de drudge
- Detección de explosivos
- Nanomedicina
- Seguridad alimentaria
- Anticontrafacción
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El carbón jugará un papel vital en la electrónica de próxima generación
Investigadores y científicos de todo el mundo han estado trabajando en la creación de dispositivos más pequeños, más rápidos y más avanzados. Esto significa que los dispositivos fabricados con materiales de solo uno o dos átomos de espesor funcionan mucho más rápido y consumen mucho menos energía.
Para estos dispositivos, se han realizado numerosos estudios sobre semiconductores ultrafinos, pero ahora se necesita una investigación exhaustiva sobre aislantes atómicamente delgados para construir dispositivos electrónicos funcionales como transistores y memristores.
En cuanto a los materiales, se dividen en conductores, semiconductores y aislantes según su capacidad para conducir una corriente eléctrica. Materiales como cobre, latón, acero, oro y aluminio que conducen fácilmente la electricidad debido a su baja resistividad eléctrica se denominan conductores.
Los aislantes son materiales como el vidrio, el aire, la madera, el plástico y el caucho, que no conducen fácilmente la electricidad. Mientras tanto, materiales como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el selenio (Se), así como compuestos como el arseniuro de galio (GaAs) y el antimonio de indio (InSb), tienen un valor de conductividad eléctrica que se sitúa entre el de un conductor y un aislante.
La resistencia de un semiconductor disminuye a medida que aumenta su temperatura, mientras que la conductividad de un semiconductor aumenta con el incremento de la temperatura.
Los aislantes tienen una amplia gama de aplicaciones, incluyendo aislamiento de paredes para regular el flujo de calor, aislamiento de hornos como barreras térmicas y dieléctricas, aislamiento acústico para prevenir ruidos, y aislamiento eléctrico en circuitos domésticos y condensadores en productos comerciales y de consumo. Los semiconductores también están presentes en todas partes, como los diminutos transistores que se encuentran en casi todos los dispositivos que usamos y las celdas solares utilizadas en paneles fotovoltaicos para convertir la luz solar en electricidad.
En los aislantes, la brecha de energía entre las bandas de valencia y conducción es muy grande (aproximadamente 15 eV), mientras que en un semiconductor, esta brecha es muy pequeña (aproximadamente 1 eV).
Según el último estudio, capas atómicamente delgadas de carbono con estructuras atómicas desordenadas pueden funcionar como un excelente aislante para la construcción de dispositivos 2D, que el equipo creó a partir de puntos de carbono derivados del carbón vegetal.
Ahora, para demostrar el potencial de las capas de carbono derivadas del carbón, los investigadores las usaron como dieléctrico de puerta en transistores 2D. Construido sobre el semiconductor disulfuro de molibdeno, el equipo creó un dispositivo con una velocidad de operación más de dos veces mayor y menor consumo de energía.
Estas capas de carbono derivadas del carbón no poseen “enlaces colgantes”, que son abundantes en las superficies de los aislantes 3D convencionales. Al funcionar eficazmente como “trampas”, alteran las propiedades eléctricas de los aislantes 3D, ralentizando el transporte de cargas móviles y afectando la velocidad de conmutación del transistor.
Sin embargo, las nuevas capas de carbono derivadas del carbón, a diferencia de otros materiales atómicamente delgados, son amorfas, y las corrientes eléctricas no deseadas fluyen a través del aislante, lo que lleva a un consumo de energía adicional sustancial durante el funcionamiento del dispositivo. El Sr. Qing Cao dijo:
“Es realmente muy emocionante, porque es la primera vez que el carbón, algo que normalmente vemos como de baja tecnología, se ha vinculado directamente con la vanguardia de la microelectrónica.”
Otra aplicación demostrada por los investigadores son los memristores, componentes electrónicos que pueden almacenar y operar con datos, mejorando significativamente la implementación de la Inteligencia Artificial (IA). Estos dispositivos almacenan y representan datos modulando un filamento conductor.
Al usar capas de carbono ultrafinas como aislante, los investigadores lograron una rápida formación de dicho filamento con bajo consumo de energía, lo que permitió que el dispositivo operara a alta velocidad con bajo consumo. Además, los anillos de tamaño atómico en estas capas de carbono derivadas del carbón atrapan el filamento para mejorar la reproducibilidad de las operaciones del dispositivo y la fiabilidad del almacenamiento de datos.
Estos nuevos dispositivos demuestran que las capas de carbono derivadas del carbón vegetal pueden usarse en dispositivos 2D. En el siguiente paso, el esfuerzo colaborativo se dirigirá a desarrollar un “proceso de fabricación de aislantes de carbono basados en carbón” que pueda aplicarse a gran escala.
Aprovechando el Nuevo Enfoque
Mientras el mundo está en proceso de transición lejos del carbono debido a un enfoque creciente en reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, la investigación continua en la industria para reevaluar el carbono puede permitir que diferentes sectores, como los fabricantes de semiconductores, aprovechen sus nuevas formas en el futuro. Así que, veamos algunas de las empresas que pueden adoptar tales enfoques.
#1. Taiwan Semiconductor Manufacturing
Este es el mayor fabricante de chips del mundo que utiliza las tecnologías de proceso más avanzadas de la industria. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. es conocida por atender las necesidades de muchos clientes de alto perfil, incluidos NVIDIA, AMD, Intel y Apple. El rango de aplicaciones de productos de la compañía cubre la amplia industria eléctrica, y ha estado expandiéndose lentamente por todo el mundo con fábricas distribuidas en tres continentes.
(TSM )
Con una capitalización de mercado de $530.26 mil millones, las acciones de TSM cotizan actualmente a $101.40, con una caída del 1.69 % en lo que va del año (YTD). La compañía reportó ingresos de los últimos doce meses (TTM) de $69.84 mil millones, con EPS (TTM) de 5.36, P/E (TTM) de 19.08 y ROE (TTM) de 29.43 %. Taiwan Semiconductor Manufacturing también paga un rendimiento de dividendo del 1.88 %.
#2. NVIDIA Corporation
Esta empresa desarrolla hardware y software para juegos, portátiles, centros de datos y aplicaciones, y es conocida específicamente por crear unidades de procesamiento gráfico (GPU) para una variedad de aplicaciones, incluidos juegos, minería de criptomonedas e IA.
Recientemente, Nvidia presentó su nuevo procesador gráfico de escritorio, la serie GeForce RTX 40 SUPER, para entusiastas de los videojuegos y también para ejecutar aplicaciones de IA localmente. Nvidia también está ampliando su presencia en el sector de vehículos eléctricos de China, ya que anunció que cuatro marcas chinas de VE utilizarán su tecnología para sistemas de conducción automatizada.
(NVDA )
Con una capitalización de mercado de $1.29 billones, las acciones de NVDA cotizan actualmente a $522.58, con un aumento del 5.5 % en lo que va del año (YTD). La compañía reportó ingresos de los últimos doce meses (TTM) de $44.87 mil millones, con EPS (TTM) de 7.57, P/E (TTM) de 68.99 y ROE (TTM) de 69.17 %. Nvidia también paga un rendimiento de dividendo del 0.03 %.
#3. Advanced Micro Devices, Inc.
Este diseñador de CPU y GPU es una de las mayores compañías de chips que recientemente anunció la serie Ryzen 8000G, encabezada por el Ryzen 7 8700G, que AMD afirma cuenta con el acelerador gráfico integrado más rápido. Mientras tanto, la última GPU de Advanced Micro Devices, la serie Radeon, se dirige al segmento bajo y medio del mercado de jugadores.
(AMD )
Con una capitalización de mercado de $236.154 mil millones, las acciones de AMD cotizan actualmente a $145.21, con una caída del 0.83 % en lo que va del año (YTD). La compañía reportó ingresos de los últimos doce meses (TTM) de $22.11 mil millones, con EPS (TTM) de 0.13, P/E (TTM) de 1,152.84 y ROE (TTM) de 0.38 %.
Conclusión
Así que, como podemos ver, la industria del carbón está siendo transformada con científicos e investigadores trabajando en revelar su valor y el papel que desempeña al crear puntos de carbono que presentan propiedades únicas que pueden hacerlos realmente útiles en la próxima generación de dispositivos electrónicos. De esta manera, la industria del carbón puede ayudar a moldear el futuro de las tecnologías electrónicas de manera sostenible.
