Hitting the Books: ¿Por qué Estados Unidos alguna vez lideró su gasolina?

El golpeteo del motor, en el que el combustible se enciende de manera desigual a lo largo de la pared del cilindro, lo que da como resultado ondas de choque de percusión dañinas, es un problema que los fabricantes de automóviles han luchado por mitigar desde los días del Modelo T. Los intentos iniciales de la industria para resolver el problema, a saber, el tetraetilo de plomo, fueron, en en retrospectiva, un gran error, haber dejado estupefactos a toda una generación de estadounidenses con sus subproductos neurotóxicos.

El Dr. Vaclav Smil, profesor emérito de la Universidad de Manitoba en Winnipeg, examina en su nuevo libro el razonamiento económico miope que condujo a la gasolina con plomo en lugar de una red nacional de estaciones de etanol. Invención e innovación: una breve historia de exageraciones y fracasos. El gas de plomo está lejos de ser el único avance supuesto para pasar como un globo de plomo. Invención e Innovación está repleto de relatos de las ideas mejor intencionadas, más mal concebidas y, en general, medio tontas de la humanidad, desde aeronaves e hiperbucles hasta DDT y CFC.

Extraído de Invención e innovación: una breve historia de exageraciones y fracasos por el profesor Vaclav Smil. Reimpreso con permiso de The MIT Press. Derechos de autor 2023.

Apenas siete años después, Henry Ford comenzó a vender su Modelo T, el primer automóvil de pasajeros duradero y económico producido en masa, y en 1911 Charles Kettering, quien más tarde desempeñó un papel clave en el desarrollo de la gasolina con plomo, diseñó el primer motor de arranque eléctrico práctico, que obvió arranque manual peligroso. Y aunque las carreteras con techo duro seguían escaseando incluso en la parte este de los EE. UU., su construcción comenzó a acelerarse, y la longitud de las carreteras pavimentadas del país se duplicó con creces entre 1905 y 1920. No menos importante, décadas de descubrimientos de petróleo crudo acompañaron gracias a los avances en la refinación, se proporcionaron los combustibles líquidos necesarios para la expansión del nuevo transporte, y en 1913, la Standard Oil de Indiana introdujo el craqueo térmico del petróleo crudo de William Burton, el proceso que aumentaba el rendimiento de la gasolina al tiempo que reducía la proporción de compuestos volátiles que componen el gran parte de las gasolinas naturales.

Pero tener autos más asequibles y más confiables, más caminos pavimentados y un suministro confiable de combustible apropiado todavía dejaba un problema inherente en el ciclo de combustión utilizado por los motores de los autos: la propensión a golpear violentamente (ping). En un motor de gasolina que funciona perfectamente, la combustión de gas se inicia únicamente por una chispa sincronizada en la parte superior de la cámara de combustión y el frente de llama resultante se mueve uniformemente a través del volumen del cilindro. La detonación es causada por encendidos espontáneos (pequeñas explosiones, mini-detonaciones) que tienen lugar en los gases restantes antes de que sean alcanzados por el frente de llama iniciado por chispas. Los golpes crean altas presiones (hasta 18 MPa, o casi hasta 180 veces el nivel atmosférico normal) y las ondas de choque resultantes, que viajan a velocidades mayores que el sonido, hacen vibrar las paredes de la cámara de combustión y producen los sonidos reveladores de un golpeteo, un mal funcionamiento. motor.

Los golpes suenan alarmantes a cualquier velocidad, pero cuando un motor funciona con una carga alta, puede ser muy destructivo. Los golpes severos pueden causar daños brutales e irreparables al motor, incluida la erosión de la culata, anillos de pistón rotos y pistones derretidos; y cualquier golpeteo reduce la eficiencia de un motor y libera más contaminantes; en particular, da como resultado mayores emisiones de óxido de nitrógeno. La capacidad para resistir la detonación, es decir, la estabilidad del combustible, se basa en la presión a la que el combustible se encenderá espontáneamente y se ha medido universalmente en números de octano, que generalmente se muestran en las estaciones de servicio en números negros en negrita sobre un fondo amarillo.

El octano (C8H18) es uno de los alcanos (hidrocarburos con la fórmula general CnH2n + 2) que forman entre el 10 y el 40 por ciento de los crudos ligeros, y uno de sus isómeros (compuestos con el mismo número de átomos de carbono e hidrógeno pero con una estructura molecular diferente), 2,2,4-trimetilpentano (iso-octano), se tomó como el máximo (100 por ciento) en la escala de octanaje porque el compuesto evita por completo cualquier detonación. Cuanto mayor sea el índice de octanaje de la gasolina, más resistente será el combustible a la detonación y los motores pueden funcionar de manera más eficiente con relaciones de compresión más altas. Las refinerías de América del Norte ahora ofrecen grados de tres octanos, gasolina regular (87), combustible de grado medio (89) y mezclas de combustible premium (91–93).

Durante las dos primeras décadas del siglo XX, la primera fase de la expansión automotriz, había tres opciones para minimizar o eliminar los golpes destructivos. El primero fue mantener las relaciones de compresión de los motores de combustión interna relativamente bajas, por debajo de 4,3:1: el modelo T más vendido de Ford, lanzado en 1908, tenía una relación de compresión de 3,98:1. El segundo fue desarrollar motores más pequeños pero más eficientes que funcionaran con mejor combustible, y el tercero fue usar aditivos que evitaran la ignición incontrolada. Mantener bajas las relaciones de compresión significaba desperdiciar combustible, y la reducción de la eficiencia del motor fue una preocupación particular durante los años de rápida expansión económica posterior a la Primera Guerra Mundial, ya que el aumento de la propiedad de automóviles más potentes y espaciosos generó preocupaciones sobre la idoneidad a largo plazo. del suministro interno de crudo y la creciente dependencia de las importaciones. En consecuencia, los aditivos ofrecían la salida más fácil: permitirían usar combustible de menor calidad en motores más potentes que operaran de manera más eficiente con relaciones de compresión más altas.

Durante las dos primeras décadas del siglo XX hubo un interés considerable por el etanol (alcohol etílico, C2H6O o CH3CH2OH), tanto como combustible para automóviles como aditivo para la gasolina. Numerosas pruebas demostraron que los motores que usan etanol puro nunca detonarían, y se probaron mezclas de etanol con queroseno y gasolina en Europa y EE. UU. Los defensores más conocidos del etanol incluyeron a Alexander Graham Bell, Elihu Thomson y Henry Ford (aunque Ford, como muchas fuentes afirman erróneamente, no diseñó el Modelo T para funcionar con etanol o para ser un vehículo de combustible dual; por gasolina); Charles Kettering lo consideró el combustible del futuro.

Pero tres desventajas complicaron la adopción a gran escala del etanol: era más caro que la gasolina, no estaba disponible en volúmenes suficientes para satisfacer la creciente demanda de combustible para automóviles y aumentar su suministro, incluso si se usaba como aditivo dominante, han reclamado partes significativas de la producción de cultivos. En ese momento no había formas asequibles y directas de producir el combustible a gran escala a partir de abundantes desechos celulósicos como la madera o la paja: primero había que hidrolizar la celulosa con ácido sulfúrico y luego fermentar los azúcares resultantes. Es por eso que el etanol combustible se fabricaba principalmente a partir de los mismos cultivos alimentarios que se usaban para producir (en volúmenes mucho más pequeños) alcohol para beber y usos medicinales e industriales.

La búsqueda de un aditivo nuevo y efectivo comenzó en 1916 en los Laboratorios de Investigación de Dayton de Charles Kettering con Thomas Midgley, un joven ingeniero mecánico (nacido en 1889), a cargo de este esfuerzo. En julio de 1918, un informe preparado en colaboración con el Ejército de los EE. UU. y la Oficina de Minas de los EE. UU. enumeraba el alcohol etílico, el benceno y un ciclohexano como los compuestos que no producían detonaciones en los motores de alta compresión. En 1919, cuando Kettering fue contratado por GM para dirigir su nueva división de investigación, definió el desafío como el de evitar una inminente escasez de combustible: se esperaba que el suministro interno de petróleo crudo de EE. UU. se agotara en quince años, y «si pudiéramos elevar la compresión de nuestros motores. . . podríamos duplicar el kilometraje y, por lo tanto, alargar este período a 30 años”. Kettering vio dos caminos hacia ese objetivo, mediante el uso de un aditivo de alto volumen (etanol o, como mostraron las pruebas, combustible con un 40 % de benceno que eliminó cualquier detonación) o una alternativa de bajo porcentaje, similar pero mejor que la solución de yodo al 1 %. que fue descubierto accidentalmente en 1919 para tener el mismo efecto.

A principios de 1921, Kettering se enteró de la síntesis de oxicloruro de selenio de Victor Lehner en la Universidad de Wisconsin. Las pruebas demostraron que era un compuesto antidetonante altamente efectivo pero, como era de esperar, también altamente corrosivo, pero llevaron directamente a considerar compuestos de otros elementos en el grupo 16 de la tabla periódica: tanto el seleniuro de dietilo como el telururo de dietilo mostraron incluso mejores propiedades antidetonantes. -propiedades de golpe, pero este último compuesto era venenoso cuando se inhalaba o se absorbía a través de la piel y tenía un fuerte olor a ajo. El tetraetilo de estaño fue el siguiente compuesto que resultó modestamente efectivo y el 9 de diciembre de 1921, una solución de tetraetilo de plomo (TEL) al 1 por ciento (C2H5)4 Pb no produjo golpes en el motor de prueba y pronto se descubrió que era efectivo incluso cuando se agrega en concentraciones tan bajas como 0.04 por ciento por volumen.

TEL fue sintetizado originalmente en Alemania por Karl Jacob Löwig en 1853 y no tenía ningún uso comercial anterior. En enero de 1922, se contrató a DuPont y Standard Oil de Nueva Jersey para producir TEL, y en febrero de 1923 el nuevo combustible (con el aditivo mezclado con la gasolina en las bombas por medio de dispositivos simples llamados etilizadores) estuvo disponible para el público en una pequeña cantidad. número de estaciones de servicio. Incluso cuando el compromiso con TEL seguía adelante, Midgley y Kettering admitieron que «sin duda el alcohol es el combustible del futuro», y las estimaciones mostraron que una mezcla del 20 por ciento de etanol y gasolina necesaria en 1920 podría suministrarse utilizando solo alrededor del 9 por ciento. de los cultivos de cereales y azúcar del país, al mismo tiempo que proporciona un mercado adicional para los agricultores estadounidenses. Y durante el período de entreguerras, muchos países europeos y algunos tropicales usaron mezclas de 10 a 25 por ciento de etanol (hecho de excedentes de cultivos alimentarios y desechos de fábricas de papel) y gasolina, ciertamente para mercados relativamente pequeños como la propiedad de automóviles familiares antes de la Segunda Guerra Mundial en Europa era sólo una fracción de la media de Estados Unidos.

Otras alternativas conocidas incluyen líquidos de refinería craqueados en fase de vapor, mezclas de benceno y gasolina de crudos nafténicos (que contienen poca o ninguna cera). ¿Por qué GM, muy consciente de estas realidades, decidió no solo seguir la ruta TEL sino también afirmar (a pesar de su propio entendimiento correcto) que no había alternativas disponibles: “Hasta donde sabemos en este momento, el tetraetilo de plomo es el único material disponible que puede producir estos resultados”? Varios factores ayudan a explicar la elección. La ruta del etanol habría requerido un desarrollo a gran escala de una nueva industria dedicada a un aditivo de combustible para automóviles que GM no podría controlar. Además, como ya se señaló, la opción preferible, producir etanol a partir de desechos celulósicos (residuos de cultivos, madera), en lugar de cultivos alimentarios, era demasiado costosa para ser práctica. De hecho, la producción a gran escala de etanol celulósico mediante nuevas conversiones enzimáticas, que prometía tener una importancia trascendental en el siglo XXI, no cumplió con sus expectativas y, para 2020, la producción estadounidense de gran volumen de etanol (utilizado como aditivo antidetonante) siguió basándose en la fermentación del maíz: en 2020 acaparó casi exactamente un tercio de la cosecha de maíz del país.