Los superordenadores simulan nuevos materiales para la transición energética

¿Cómo podemos aumentar de forma sostenible la producción de hidrógeno y combustibles sintéticos para el mundo sin combustibles fósiles acordado en Dubái a finales del año pasado? Los avances en la ciencia de los materiales podrían ser la clave. Un equipo de la Universidad de Viena utiliza simulaciones por ordenador para facilitar avances en esos campos estratégicos.

La ecuación de Schrödinger no es sólo una de las fórmulas más importantes de la física cuántica. Los físicos de la Universidad de Viena, dirigidos por el profesor Georg Kresse, la utilizan para predecir el comportamiento de los materiales y optimizarlos para la ingeniería de procesos químicos. Esto se hace con la ayuda de simulaciones en ordenadores de alto rendimiento.

¿Qué tienen en común el detergente, el caucho de los neumáticos y el paracetamol? Como la mayoría de los materiales que utilizamos en la vida cotidiana, no están disponibles como productos terminados desde el principio. Se basan en materiales de origen y se producen mediante reacciones químicas.

Por ejemplo, para el teclado utilizado para escribir este texto, se enlazaron innumerables componentes individuales (monómeros) para formar polímeros y crear plástico.

Barrera energética

Las reacciones químicas necesitan superar una barrera energética, la llamada energía de activación. Aquí es donde entra en juego un catalizador. Los catalizadores son materiales que facilitan una reacción química al reducir la energía de activación.

Un catalizador es una sustancia que inicia una reacción química sin ser consumida por la reacción. Los catalizadores permiten una vía de reacción alternativa que requiere menos energía de activación en comparación con las reacciones sin catalizador.

Los catalizadores son esenciales para la transición energética, ya que pueden ayudar a producir hidrógeno y combustibles sintéticos a partir de fuentes renovables.

Reacciones óptimas

El hidrógeno se puede obtener mediante la electrólisis del agua, un proceso que utiliza la electricidad para separar el agua en hidrógeno y oxígeno. Los combustibles sintéticos se pueden obtener mediante la síntesis de Fischer-Tropsch, un proceso que utiliza el hidrógeno y el monóxido de carbono para producir hidrocarburos.

Sin embargo, ambos procesos requieren catalizadores eficientes, estables y baratos, que aún no existen.

Por eso, los físicos de la Universidad de Viena están trabajando en el diseño de nuevos materiales que puedan actuar como catalizadores óptimos para estas reacciones.

Para ello, utilizan simulaciones por ordenador basadas en la mecánica cuántica, que les permiten predecir las propiedades de los materiales a nivel atómico.

Ecuación de Schrödinger

Georg Kresse y su equipo desarrollan y utilizan programas informáticos que resuelven la ecuación de Schrödinger para sistemas de muchos electrones. Esta ecuación describe cómo los electrones se comportan en un material y determina sus propiedades físicas y químicas. “Para nosotros, la ecuación de Schrödinger es una especie de teoría del todo. Describe todo lo que vemos y experimentamos”, explica Kresse.

Uno de los programas informáticos desarrollados por el equipo de Kresse es VASP (Vienna Ab initio Simulation Package), uno de los más utilizados en el mundo para la simulación de materiales. VASP permite calcular la estructura, la energía, la estabilidad y la reactividad de los materiales, así como simular cómo interactúan con otros materiales o con campos eléctricos o magnéticos.

Sin embargo, resolver la ecuación de Schrödinger para sistemas complejos requiere una gran potencia de cálculo, que sólo se puede lograr con ordenadores de alto rendimiento.

Potencia de cálculo

Estos ordenadores son capaces de realizar billones de operaciones por segundo, utilizando miles de procesadores en paralelo. El equipo de Kresse tiene acceso a algunos de los superordenadores más potentes de Europa, como el Vienna Scientific Cluster (VSC) o el Partnership for Advanced Computing in Europe (PRACE).

Gracias a estas herramientas, los físicos de la Universidad de Viena pueden explorar el espacio de los materiales, es decir, el conjunto de todos los posibles materiales que se pueden crear combinando diferentes elementos de la tabla periódica.

Al simular las propiedades de estos materiales, pueden identificar los candidatos más prometedores para actuar como catalizadores y conseguir la producción de hidrógeno y combustibles sintéticos.

Nuevos materiales

Además, pueden diseñar nuevos materiales a medida, modificando su composición, su forma o su tamaño para optimizar su rendimiento. Por ejemplo, pueden crear nanopartículas de metales nobles, como el platino o el paladio, que tienen una alta actividad catalítica, pero que son escasos y caros.

Al reducir el tamaño de estas partículas, se puede aumentar su superficie y, por tanto, su eficiencia, al tiempo que se reduce la cantidad de material necesario.

Las simulaciones por ordenador no sólo permiten ahorrar tiempo y recursos, sino que también ofrecen una comprensión más profunda de los mecanismos que rigen las reacciones químicas.

Al visualizar cómo los átomos y los electrones se mueven y se reorganizan durante una reacción, los físicos pueden descubrir nuevas vías de reacción o nuevos efectos físicos que podrían mejorar el proceso.

Ingeniería química

El trabajo de los físicos de la Universidad de Viena tiene un gran impacto en la ciencia de los materiales y la ingeniería química, así como en otras disciplinas como la química, la biología o la medicina.

Sus simulaciones por ordenador contribuyen a acelerar el desarrollo de nuevos materiales para la transición energética, así como para otras aplicaciones como la electrónica, la fotónica, la nanotecnología o la biomedicina.

Nueva era tecnológica

Después de la COP 28 celebrada en Dubái, que puso fecha al final de los combustibles fósiles en la historia humana, se han abierto numerosas oportunidades tecnológicas para atender la demanda energética en un mundo sostenible. Lo que está investigando la Universidad de Viena forma parte de esa estrategia global, que no ha hecho más que comenzar. En España también hay movimientos en esa dirección.