La mejora de la calidad del aire en las economías desarrolladas, especialmente en las grandes ciudades, depende en gran medida de la introducción de vehículos eléctricos (EV) modernos diseñados para el desarrollo sostenible. Sin embargo, el futuro sin emisiones prometido por los vehículos eléctricos no es tan libre de emisiones como se podría pensar.
El proyecto LOWBRASYS (Sistema de Frenos de Bajas Emisiones) ha demostrado que el desgaste de las pastillas de freno puede contribuir hasta en un 55% de todas las emisiones no relacionadas con el escape en entornos urbanos congestionados. Estas emisiones consisten en partículas de carbono que provienen de las partículas finas generadas por el frenado de los vehículos. Esto es válido tanto para los vehículos eléctricos como para los vehículos de motor de combustión.
Aunque las emisiones de escape de los vehículos se han reducido significativamente en Europa, las emisiones de polvo de frenos y neumáticos siguen siendo una preocupación ambiental y de salud importante, especialmente con el aumento del número de vehículos en las carreteras. Cada vez que se activan los frenos de un vehículo, se liberan dañinas partículas metálicas microscópicas debido al desgaste de las pastillas de freno. Según los datos del Inventario Nacional de Emisiones Atmosféricas del Reino Unido, las emisiones no relacionadas con el escape son ahora la principal fuente de contaminación por polvo fino y grueso en el Reino Unido. Las partículas relacionadas con los vehículos representan hasta el 20% de la contaminación general del aire por partículas, y el resto proviene de incendios, centrales eléctricas, obras de construcción y otras operaciones industriales. Los riesgos para la salud asociados con las partículas microscópicas aerotransportadas se han estudiado ampliamente y se ha demostrado que representan una grave amenaza para la salud, ya que pueden penetrar profundamente en los pulmones humanos. Esto es especialmente peligroso ya que las partículas se encuentran cerca del nivel del suelo, donde se encuentran los niños. Además de sus propiedades físicas, las emisiones de frenos suelen caer dentro del rango de tamaño PM10 (con un diámetro de 10 micrones o menos), lo que significa que se pueden inhalar y son similares en tamaño al polen de las plantas. Sin embargo, las partículas pueden ser aún más pequeñas (dentro del rango PM2.5), lo que las hace más fáciles de absorber.
Nuevos recubrimientos de frenos
Si bien el Parlamento Europeo ha acordado retrasar la introducción de los estándares más estrictos Euro 7 hasta mediados de 2030, cinco años más tarde de lo previsto originalmente, no hay duda de que algunas de las nuevas normas inicialmente propuestas en Euro 7 se centran más en las emisiones no relacionadas con el escape. En un estudio ampliamente citado realizado por la empresa independiente de pruebas de emisiones, Emissions Analytics, se descubrió que cuanto mayor sea la masa y el par de un vehículo, mayor será la intensidad de las emisiones de partículas. Con un peso promedio de 500 kg, los fabricantes de vehículos eléctricos inevitablemente se verán afectados por regulaciones más estrictas, a pesar del reciente retraso en la implementación.
Si bien las pastillas de freno de cerámica generalmente producen menos polvo de frenos en comparación con las pastillas de metal (y el polvo que producen es menos tóxico), no son una solución factible para los coches de consumo promedio, ya que no funcionan eficazmente hasta que se calientan y alcanzan una funcionalidad óptima. Como resultado, su uso se limita principalmente a los autos de carreras, los vehículos de lujo de alta gama y los autos deportivos.
Otro desafío es que, debido al frenado regenerativo en los vehículos eléctricos, el uso de los frenos suele ser menos intensivo que en los vehículos de motor de combustión. Esta reducción en el uso hace que los frenos de metal sean más propensos a la corrosión, lo que puede afectar su funcionalidad y seguridad, lo que potencialmente lleva a reemplazos frecuentes de discos e incluso a reemplazos de todo el sistema de frenado. Hasta ahora, la solución óptima ha sido recubrir los discos de freno con una combinación de aleación de metal y polvo de cerámica, un material altamente resistente a la corrosión que crea un recubrimiento con baja o nula resistencia.
Modernos sistemas de gestión del calor en los vehículos eléctricos
A medida que aumenta la potencia de los vehículos eléctricos y el tamaño de las baterías, se hace necesario el uso de sistemas de refrigeración más eficientes. Los radiadores para automóviles más avanzados, que son intercambiadores de calor que ayudan a transferir el calor del motor al exterior, suelen ser modelos híbridos hechos de cobre y aluminio. Tradicionalmente, estaban hechos de cobre puro o aluminio puro, pero tenían problemas relacionados con el peso o la producción. Si bien el cobre se puede soldar, es pesado y reduce la autonomía de manejo, por cada diez kilogramos se puede recorrer un kilómetro menos. Mientras tanto, el aluminio, a pesar de ser más ligero, no se puede soldar, lo que plantea desafíos en la producción eficiente.
Al aplicar una capa de cobre con un grosor de 100 a 200 micrones a un sustrato de aluminio, los fabricantes de radiadores para automóviles disfrutan de los beneficios de ambos materiales, lo que permite un rendimiento un 30% mejor que el aluminio solo. El cobre tiene una conductividad térmica significativamente mejor, y la capacidad de soldadura permite una transferencia de calor aún mejor de hasta un 20%. El uso de un recubrimiento de cobre también puede ayudar a evitar puntos calientes localizados que pueden reducir la eficiencia del vehículo, acortar la autonomía y disminuir la vida útil del vehículo debido al calentamiento excesivo. Mientras tanto, la mayoría de las piezas basadas en aluminio aún pueden proporcionar un mayor alcance.
Refrigeración de próxima generación para vehículos de próxima generación
La refrigeración de próxima generación es una técnica de deposición de material en la que se impulsan partículas metálicas finas de entre 5 y 50 micrones sobre un sustrato, en este caso, el freno, utilizando gases a alta presión. Las partículas, que comienzan su vida a temperatura ambiente, se colocan en un chorro de nitrógeno o helio, que luego se calienta y acelera con la ayuda de una boquilla supersónica a velocidades increíbles que van desde 500 hasta 1200 metros por segundo. Durante este proceso, la temperatura del polvo de metal se mantiene muy por debajo del punto de fusión, lo que le permite alcanzar el sustrato y formar una fuerte unión. Esta técnica, llamada pulverización en frío, resulta en un recubrimiento altamente denso y adhesivo, que proporciona una mayor durabilidad y reduce el riesgo de corrosión.
Al implementar estas innovadoras tecnologías de frenos y refrigeración, los fabricantes pueden contribuir a la mejora de la calidad del aire en las ciudades y reducir los impactos ambientales y de salud de las emisiones no relacionadas con el escape. Estos avances permiten un futuro más sostenible para la movilidad urbana al tiempo que mitigan los efectos negativos del polvo de frenos y optimizan el rendimiento de los vehículos eléctricos.
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