El grafeno, el material más resistente del mundo, podría utilizarse para producir agua potable limpia

A menudo denominado "material milagroso", el grafeno es un millón de veces más fino que un cabello humano y más resistente que el acero.

Este material de carbono bidimensional, hecho de capas individuales de grafito, un material extraído de la tierra, es extremadamente ligero, conductor y flexible, y tiene el potencial de ofrecer tecnologías transformadoras en todos los sectores, desde la electrónica al transporte.

Ahora, investigadores de la Universidad Khalifa de los Emiratos Árabes Unidos (EAU) están explorando otro uso del grafeno: producir agua potable.

"Aquí, en los Emiratos Árabes Unidos, toda el agua potable es desalinizada, por lo que se trata de un sector muy importante de la economía y la sociedad", explica Hassan Arafat, director del Centro de Investigación e Innovación en Grafeno y Materiales 2D (RIC2D) de la universidad.

La desalinización es el proceso de eliminar la sal del agua de mar y limpiar el agua para hacerla potable. No solo es vital en los EAU: más de 300 millones de personas en todo el mundo dependen del agua desalinizada. Y como el cambio climático y la contaminación amenazan nuestras limitadas reservas de agua dulce, esa cifra aumentará.

Pero la desalinización es un proceso costoso y que consume mucha energía.

Ahí es donde entra en juego el grafeno: Arafat trabaja en una membrana mejorada con grafeno que podría hacer el proceso más eficaz y barato.

Este año hemos sido testigos de un gran número de catástrofes debidas al cambio climático. La escasez de agua es un problema mundial, y cada día es peor. Saber que estamos contribuyendo a la solución de estos problemas es muy satisfactorio.

explica Arafat.

Soluciones de desalinización

El RIC2D se creó en 2022 en la Universidad Khalifa, con inversión del Gobierno de Abu Dhabi, para profundizar en la investigación de las innovaciones del grafeno y su producción.

Aunque el papel de Arafat como director principal le da una visión general de muchos proyectos, su propia investigación se centra en el agua.

Arafat afirma que el grafeno puede alargar la vida de una membrana evitando el "ensuciamiento", que se produce cuando las bacterias se acumulan en el filtro y degradan su calidad. El uso del grafeno para "mejorar el rendimiento" de los filtros podría ayudar a reducir el consumo de energía y los costes de desalinización, afirma Arafat.

Incluso en pequeñas cantidades, estos materiales de grafeno mejoran significativamente el rendimiento de las membranas en cuanto a su producción de agua.

Las membranas, actualmente en fase de desarrollo, se fabricarán y ampliarán el año que viene en la Universidad de Manchester (Reino Unido), socia de RIC2D en la investigación del grafeno, explica Arafat. Después, las membranas se probarán en una planta desalinizadora.

Arafat no es el único que estudia el grafeno como solución para la desalinización: empresas como Watercycle Technologies están desarrollando membranas mejoradas con grafeno para eliminar minerales específicos del agua, mientras que Molymem se centra en la eliminación de tintes. Pero Arafat afirma que la membrana de RIC2D "supera" a filtros de agua similares en la literatura académica reciente, y la asociación con la Universidad de Manchester les permite ampliar la tecnología para pruebas industriales.

RIC2D también está estudiando otras aplicaciones del grafeno, como materiales de construcción sostenibles con potencial para reducir las emisiones de dióxido de carbono y soluciones de energía renovable a base de hidrógeno.

Fabricar grafeno a partir de metano

A pesar de su potencial transformador, el grafeno es difícil y caro de producir a gran escala.

Una de las formas de fabricarlo es extrayendo capas individuales del grafito, lo que ha limitado su impacto en soluciones para el mercado de masas. Sin embargo, los investigadores del RIC2D están buscando formas de reducir costes y tiempo "sin comprometer la calidad", afirma Arafat.

Otro método de producción utiliza la química del plasma para extraer carbono de gases como el metano -un gas de efecto invernadero compuesto por carbono e hidrógeno-, que son subproductos de la industria del petróleo y el gas.

Los gases producidos en la industria petroquímica de Abu Dhabi podrían transformarse en grafeno. (Crédito: Christophe Viseux/Bloomberg/Getty Images)

Los EAU son uno de los principales productores de petróleo del mundo y cerca del 30% de su PIB procede de los hidrocarburos. No obstante, los EAU están deseosos de diversificar su economía y aspiran a conseguir cero emisiones en 2050.

El grafeno podría contribuir a ambas ambiciones.

RIC2D colaboró con la empresa británica Levidian, que desarrolló su propio proceso químico de plasma para extraer carbono del metano.

Aprovechando la cadena de suministro de los EAU, existe una "gran oportunidad de acelerar la adopción del grafeno en apoyo del cambio climático", afirma James Baker, director general de Graphene@Manchester, el centro de innovación del grafeno de la Universidad de Manchester, que se asoció con la Universidad Khalifa para crear el laboratorio RIC2D en 2022.

Cualquier material basado en el carbono -incluidos los residuos de la industria del petróleo y el gas, o productos derivados del petróleo como los neumáticos de los coches- podría "reciclarse o reutilizarse eficazmente" para crear grafeno fabricado químicamente, afirma Baker.

Hay mucho interés en los Emiratos Árabes Unidos por la cadena de suministro de la producción de grafeno, y estamos trabajando para aumentar realmente la producción de este material de gramos a kilogramos y a toneladas.

La producción de grafeno a partir de un gas como el metano tiene una ventaja añadida: el hidrógeno extraído puede utilizarse como combustible, afirma Baker. Añade que los materiales compuestos de grafeno también podrían utilizarse para almacenar hidrógeno en recipientes a presión más resistentes.

"No solo estás descarbonizando los residuos, sino que los estás utilizando, en lugar de llevarlos a un vertedero o quemarlos en él", añade Baker.

Pensar globalmente

En la Graphene Flagship Week de septiembre, una iniciativa financiada por la Unión Europea, RIC2D presentó varios proyectos que ya están en vías de comercialización, como una colaboración con la empresa francesa Grapheal, que fabrica biosensores basados en grafeno, y otra con la turca NanoGrafen, que estudia cómo convertir materiales de desecho, como neumáticos usados, en productos de grafeno para materiales compuestos de construcción.

Sin embargo, "cuanto más novedosa, innovadora y transformadora sea la idea, más largo será probablemente el camino hasta su comercialización final", afirma Arafat.

Arafat espera que su investigación tenga repercusión en los Emiratos y más allá. "Aunque empezamos localmente, pensamos globalmente", dice.