Hace cincuenta años, los científicos descubrieron lo que pensaban que podría ser el próximo combustible para cohetes. Los carboranos - moléculas compuestas de átomos de boro, carbono e hidrógeno agrupados en formas tridimensionales - fueron vistos como la posible base para la próxima generaciónpropulsores debido a su capacidad de liberar cantidades masivas de energía cuando se queman.
Era una tecnología que en ese momento tenía el potencial de aumentar o incluso superar el combustible tradicional para cohetes de hidrocarburos, y fue objeto de grandes inversiones en los años 50 y 60.
Pero las cosas no funcionaron como se esperaba.
"Resulta que cuando se queman estas cosas, en realidad se forman muchos sedimentos", dijo Gabriel Ménard, profesor asistente en el Departamento de Química y Bioquímica de la Universidad de California en Santa Bárbara. Además de otros problemas encontrados al quemar este llamado"combustible comprimido", su residuo también engulló las obras en motores de cohetes, por lo que el proyecto fue desechado.
"Así que hicieron estas enormes reservas de estos compuestos, pero en realidad nunca los usaron", dijo Ménard.
Avance rápido hasta hoy, y estos compuestos han vuelto a estar de moda con una amplia gama de aplicaciones, desde medicina hasta ingeniería a nanoescala. Para Ménard y el profesor de química de UCSB Trevor Hayton, así como el profesor de química de la Universidad de Tel Aviv, Roman Dobrovetsky, carboranespodría ser la clave para una extracción más eficiente de iones de uranio y eso, a su vez, podría permitir cosas como un mejor reprocesamiento de residuos nucleares y la recuperación de uranio y otros metales del agua de mar
Su investigación, el primer ejemplo de aplicación de procesos electroquímicos de carborano a la extracción de uranio, se publica en un artículo enlace que aparece en la revista Naturaleza .
La clave de esta tecnología es la versatilidad de la molécula de racimo. Dependiendo de sus composiciones, estas estructuras pueden parecerse a jaulas cerradas, o más nidos abiertos, debido al control de la actividad redox del compuesto, su disposición para donar o ganar electrones. Esto permitepara la captura y liberación controlada de iones metálicos, que en este estudio se aplicó a iones de uranio.
"El gran avance aquí es esta estrategia de 'atrapar y soltar' donde puedes cambiar entre dos estados, donde un estado une el metal y otro libera el metal", dijo Hayton.
Los procesos convencionales, como el popular proceso PUREX que extrae plutonio y uranio, dependen en gran medida de solventes, extractantes y procesamiento extensivo.
"Básicamente, se podría decir que es un desperdicio", dijo Ménard. "En nuestro caso, podemos hacer esto electroquímicamente, podemos capturar y liberar el uranio con solo presionar un interruptor".
"Lo que realmente sucede", agregó Ménard, "es que la jaula se abre." Específicamente, el ortocarborano previamente cerrado se convierte en un carborano abierto nido- "nido" capaz de capturar el ion de uranio cargado positivamente.
Convencionalmente, la liberación controlada de iones de uranio extraídos, sin embargo, no es tan sencilla y puede ser algo desordenada. Según los investigadores, tales métodos están "menos establecidos y pueden ser difíciles, costosos o destructivos para el material inicial".
Pero aquí, los investigadores han ideado una forma de alternar de manera confiable y eficiente entre carboranes abiertos y cerrados, utilizando electricidad. Al aplicar un potencial eléctrico utilizando un electrodo sumergido en la porción orgánica de un sistema bifásico, los carboranos pueden recibiry donar los electrones necesarios para abrir y cerrar y capturar y liberar uranio, respectivamente.
"Básicamente puedes abrirlo, capturar uranio, cerrarlo y luego liberarlo", dijo Ménard. Las moléculas se pueden usar varias veces, agregó.
Esta tecnología podría usarse para varias aplicaciones que requieren la extracción de uranio y, por extensión, otros iones metálicos. Un área es el reprocesamiento nuclear, en el que el uranio y otros elementos radiactivos "trans-uranio" se extraen del material nuclear gastado para su almacenamientoy reutilizar el proceso PUREX.
"El problema es que estos elementos de transuranio son muy radiactivos y necesitamos poder almacenarlos durante mucho tiempo porque son básicamente muy peligrosos", dijo Ménard. Este método electroquímico podría permitir la separación deExplicó que el uranio del plutonio, similar al proceso PUREX. El uranio extraído podría enriquecerse y volver al reactor; los otros desechos de alto nivel se pueden transmutar para reducir su radiactividad.
Además, el proceso electroquímico también podría aplicarse a la extracción de uranio del agua de mar, lo que aliviaría la presión sobre las minas terrestres donde actualmente se obtiene todo el uranio.
"Hay alrededor de mil veces más uranio disuelto en los océanos que en todas las minas terrestres", dijo Ménard. Del mismo modo, el litio, otro metal valioso que existe en grandes reservas de agua de mar, podría extraerse de esta manera,y los investigadores planean tomar esta dirección de investigación en el futuro cercano.
"Esto nos da otra herramienta en la caja de herramientas para manipular iones metálicos y procesar desechos nucleares o capturar metales de los océanos", dijo Hayton. "Es una nueva estrategia y un nuevo método para lograr este tipo de transformaciones".
La investigación en este estudio también fue realizada por Megan Keener autora principal, Camden Hunt y Timothy G. Carroll en UCSB; y por Vladimir Kampel en la Universidad de Tel Aviv.
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Materiales proporcionado por Universidad de California - Santa Bárbara . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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