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Los autos que recorren más de 1,000 millas en un solo dispositivo de recarga y los teléfonos inteligentes que pueden funcionar durante días sin recargarse, se encuentran entre las posibilidades que podrían surgir de un nuevo proyecto de investigación de la Universidad de Clemson que reúne la impresión 3D y el procesamiento con láser.
Jianhua "Joshua" Tong y su equipo, están trabajando en una nueva técnica de impresión 3D que involucra el procesamiento láser rápido para crear "pilas de electrolizadores cerámicos protónicos" que convierten la electricidad en hidrógeno como una forma de almacenar energía.
Los electrolizadores podrían tener varios usos, incluso como fuente de combustible en automóviles o para almacenar energía generada por energía solar y eólica.
"La nueva técnica de impresión 3D en láser, reduciría el costo y el tiempo de fabricación de los electrolizadores altamente compactados", dijo Tong. "Al hacerlo, no solo podría reducir el costo de la producción de hidrógeno a la mitad, sino también reducir el tamaño del dispositivo en un orden de magnitud", dijo.
Tong, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales, está liderando la investigación con $ 1.6 millones de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del Departamento de Energía de los Estados Unidos.
"Nuestro éxito significará que podemos proporcionar energía sostenible y limpia", dijo Tong. "Esa es la parte fantástica. Estamos llevando la impresión 3D al siguiente nivel".
"Si los investigadores tuvieran éxito con los electrolizadores, la misma técnica podría aplicarse a la impresión 3D de otros tipos de productos cerámicos, incluidas baterías y células solares, la técnica podría, por ejemplo, llevar a baterías de alta densidad que permitan a los teléfonos inteligentes mantener una carga por días a la vez", dijo.
El proyecto de Tong es el más reciente de un creciente cuerpo de investigación destinado a utilizar la impresión 3D para cambiar la forma en que se fabrican los productos. En la impresión 3D, los productos se diseñan en una computadora y luego se imprimen una capa a la vez, las capas se apilan una sobre otra para crear el producto. Las impresoras 3D de tamaño microondas que se encuentran a menudo en las aulas de las escuelas secundarias imprimen con plástico. Uno de los grandes desafíos en la fabricación avanzada es descubrir cómo imprimir de manera rentable con otros tipos de materiales.
Para Tong, la atención se centra en la cerámica. Cuando se hacen de manera convencional, las cerámicas deben ser sinterizadas en un horno a altas temperaturas, a menudo durante varias horas. Diferentes tipos de cerámica necesitan ser sinterizados a diferentes temperaturas.
Un electrolizador requiere cuatro tipos diferentes de cerámica, lo que dificulta la sinterización.
En el proyecto de Tong, una impresora 3-D coloca una capa de cerámica y un láser la sinteriza al mismo tiempo, eliminando la necesidad del horno.
La técnica permitiría al usuario imprimir en 3D un electrolizador hecho de cuatro tipos diferentes de cerámica sin utilizar un horno. Sería similar a hacer un pastel con muchas capas y tener un sabor diferente para cada capa. La técnica podría abrir la impresión 3D a nuevos productos y todas las ventajas que vienen con ella. Por ejemplo, un diseño para la pila de celdas de combustible de un automóvil podría enviarse por correo electrónico a una fábrica a miles de kilómetros de distancia, y podría imprimirse en cuestión de horas en lugar de esperar días para la entrega, dijo Tong.
El proyecto reúne a cuatro miembros de la facultad en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Clemson. Tong es el investigador principal del proyecto, mientras que Hai Xiao, Kyle Brinkman y Fei Peng son investigadores co-principales.
Rajendra Bordia, presidente del departamento, dijo que la investigación mejora los esfuerzos de Clemson para ayudar a crear formas más sostenibles de convertir energía.
"El Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales está en una posición única para desempeñar un papel importante en el uso de la electrólisis para crear energía para el transporte desde fuentes renovables", dijo. "El equipo que trabaja en este proyecto representa la experiencia de clase mundial en áreas relevantes, incluidos los materiales y dispositivos cerámicos para la conversión de energía , el procesamiento por láser, la fabricación de aditivos y el procesamiento de cerámica".
Anand Gramopadhye, decano de la Facultad de Ingeniería, Computación y Ciencias Aplicadas, dijo que el proyecto se basa en la excelencia de Clemson en investigación de fabricación avanzada.
"La cantidad del premio es un testimonio de las ideas innovadoras y los mejores talentos que se están desarrollando en la investigación", dijo Gramopadhye. "Felicito al Dr. Tong y su equipo por la subvención".
