- Por Wilmer Romero -
En mis artículos anteriores sobre protagonistas del Aluminio, hablamos sobre «Humphry Davy» y el origen de la palabra Aluminio y sobre «Friedrich Wohler» y su pasión por el Aluminio. Recapitulando, podemos decir que Davy bautizó en Inglaterra al nuevo metal con el nombre de Aluminio, pero su nacimiento realmente ocurrió en Alemania 20 años después, gracias a los trabajos experimentales de Friedrich Wohler.
Posteriormente, el aluminio se mudó a Francia, en donde el destacado químico y tecnólogo francés Henri Sainte-Claire Deville, encantado con las virtudes de este nuevo metal, implementó la primera planta industrial para producir aluminio primario, aunque en cantidades muy limitadas.
Nacimiento del primer método industrial para producir aluminio
Para el año de 1845, el alemán Friedrich Wohler ya había determinado las propiedades básicas del aluminio, de las cuales la más resaltante era su extraordinaria ligereza o baja densidad. Precisamente esta propiedad fue clave para que otros científicos se fijaran en este metal y para poder obtener recursos financieros que permitiera ampliar su producción a escala industrial.
Nueve años después, entra en acción el profesor Francés Henri Sainte-Claire Deville (1818-1881), quien repitió el procedimiento de Wohler y obtuvo pequeños glóbulos de aluminio que brillaban como la plata, quedando impresionado por ello. Percibió un gran potencial económico en este nuevo metal e inmediatamente empezó a investigar la manera de fabricarlo a mayor escala para poder comercializarlo.
“La ciencia nunca resuelve un problema sin crear otros 10 más”. George Bernard Shaw
Como el aluminio fabricado por Deville tenia un mayor grado de pureza que el obtenido por Wohler, algunas personas recomendaron a Deville que se proclamara como su verdadero descubridor. La reacción de Deville fue fabricar una medalla de aluminio puro, donde estampo simplemente la palabra Wohler y en la otra cara la fecha 1827 y se la envió al gran maestro alemán. Así era el carácter de Deville. Durante su funeral, el famoso Louis Pasteur fue el encargado de pronunciar la oración fúnebre.
Deville siempre reconoció a Wohler como el creador del método de obtención de aluminio por reducción química y solía decir que su única contribución fue haber perfeccionado el método para adaptarlo a una escala industrial. Ambos se conocían, de hecho, en 1857 trabajaron colaborativamente en un proyecto de purificación del titanio.
Deville empezó a mejorar el proceso químico de Wohler, descubriendo que se podía usar el sodio como agente reductor, elemento que es más común en la naturaleza y que además era mucho más seguro de manipular que el potasio, usado por Wohler. El problema era que el sodio, al igual que el potasio, era sumamente costoso. Estos elementos alcalinos fueron aislados por primera vez por Humphry Davy, usando para ello la electrolisis.
"Quien no ha afrontado la adversidad no conoce su propia fuerza". Ben Johnson
En aquel tiempo, las únicas fuentes de electricidad disponibles eran las baterías primarias (no recargables o desechables), las cuales no eran apropiadas como para ser usadas en la producción industrial del sodio. Deville, entonces, se apoyó en los trabajos de otros químicos de la época e implementó un método químico, en vez de la electrolisis, para industrializar el proceso de obtención del sodio metálico, tratando de esta manera de reducir su costo de producción, objetivo que logró, incluso, su precio se ubicó por debajo del potasio.
Del mismo modo industrializó la producción y el refinado de la alúmina (usando Bauxita), así como su conversión en cloruro de aluminio, de manera de garantizar suficiente materia prima para la reducción química del cloruro de aluminio por el sodio metálico. Este proceso de reducción solía llevarse a cabo en un horno especial de reverbero. Una vez garantizada la materia prima, arrancó en 1854 el primer método a escala piloto para la producción de aluminio.
Garantizando la materia prima
Deville obtenía la alúmina de la Bauxita, ya conocida en Francia desde el año 1821. En ese tiempo la alúmina se extraía del alumbre, pero él desarrolló, junto a algunos de sus colegas, un nuevo proceso para fabricar alúmina a partir de la Bauxita. El proceso se llegó a conocer como “Deville-Pechiney”, aunque también se le llamó “Le Chatelier”, porque fue el ingeniero en mina Louis Le Chatelier, quien lo patentó en 1858. Louis fue también el padre del químico Henri Le Chatelier, famoso por el principio de Le Chatelier, muy estudiado en química universitaria.
El proceso “Le Chatelier”, se convirtió en el primer método industrial usado para producir alúmina de la Bauxita y surgió gracias a la fabrica instalada por Deville para producir aluminio. Este proceso se usó en Francia hasta 1923 y en Alemania y Gran Bretaña hasta el inicio de la segunda guerra mundial. Sin embargo, algunos países continuaron usándolo hasta los años de 1960, cuando finalmente fue sustituido por el proceso Bayer.
"El valor de una idea radica en su uso". Thomas Edison
El proceso Bayer fue patentado en 1888 por el químico austriaco Karl Joseph Bayer, quien era hijo del fundador de la empresa química y farmacéutica Bayer, mundialmente famosa. Ambos procesos de obtención de alúmina son muy parecidos, excepto que en el proceso Le Chatelier, la Bauxita es tostada con carbonato de sodio a alta temperatura (vía seca o proceso pirometalúrgico), en lugar de ser digerido con solución de soda caústica como se hace en el proceso Bayer (vía humedad o proceso hidrometalúrgico), el cual no requiere de ningún proceso de fusión.
Fabricación del primer lingote de aluminio
Deville, ayudado por sus amigos, le presentó el proyecto al emperador Napoleón III, quien lo apoyó financieramente con todo lo que necesitara para que pudiese construir una planta piloto cerca de París. A través de esa planta, Deville fabricó en 1855 suficiente aluminio para colar el primer lingote o barra de unos 7 kg, lo cual fue un gran avance hacia el uso industrial de dicho metal, pues ahora se podía obtener algunos kilogramos de aluminio, en vez de tan sólo unos pocos gramos.
La baja densidad de este nuevo metal fue la clave para que el emperador Napoleón III mostrara interés en este nuevo metal. Él inmediatamente visualizó la fabricación de armas ultraligeras para que su ejército pudiese desplazarse mucho más rápido, con menos peso y así revolucionar el arte de la guerra.
Aunque no logró su cometido debido a los altos costos que eso implicaba, veremos en artículos posteriores que ese afán por la guerra terminaría por impulsar significativamente la producción industrial del aluminio, ya que dicho metal se convirtió en un insumo crucial para la movilidad y velocidad del ejército y la aviación.
El aluminio, el metal de los reyes
Ese mismo año de 1855, se llevó a cabo la exposición universal de París, en donde se exhibió la barra o lingote de aluminio fabricado por Deville, justo al lado de las joyas de la corona francesa, debutando así ante el mundo como si fuese un verdadero metal precioso. Más de 5 millones de visitantes de 34 países tuvieron la oportunidad de observar la exhibición por un periodo de 6 meses.
No era para menos, ya que para esa fecha se cotizaba muy por encima de la plata y el oro. El lingote exhibido tenía una etiqueta que decía: “plata de arcilla”. Siendo la gente como es, el aluminio rápidamente se convirtió en un metal noble y aristocrático, en un símbolo de riqueza, muy deseado por las personas más ricas e influyentes, quienes lo codiciaban mucho más que el oro.
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| El metal de los reyes |
El mismo emperador había encargado un juego de vajilla y cubertería de aluminio para sus más ilustres invitados, dejando las vajillas de plata para las clases menos privilegiadas. También solía condecorar a sus oficiales y altas personalidades con medallas y distintivos de aluminio, así como regalar pequeñas barras de aluminio a manera de suvenir.
Por su parte, el rey Cristián X de Dinamarca, prefería llevar una corona de aluminio incrustada con piedras preciosas. De allí es que surge el apodo de metal de los reyes.
El aluminio se usó en otras partes del mundo como símbolo de prosperidad y distinción. Por ejemplo, en 1884 se colocó una pequeña pirámide hecha de aluminio en la cúspide del obelisco del monumento a Washington. Incluso, antes de subirla al obelisco, fue exhibida en la más prestigiosa joyería de Nueva York. Así era de valioso el aluminio, de lo contrario dicha pirámide hubiese sido de oro. Ahora si vale la pena viajar al pasado, comentó una vez un participante a uno de mis cursos, pero llevando un lingote de aluminio, aunque sea reciclado.
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| El aluminio era sinónimo de riqueza y prestigio |
Aparte de su uso en ornamentos y prendas de lujo que usaban los grandes acaudalados, el aluminio se empezó a utilizar en instrumentos científicos, telescopios, binoculares, sextantes, paletas de anemómetro, construcción de instrumentos de precisión astronómica, topográfica, instrumento para la marina, etc. El primer juguete fabricado de aluminio fue un sonajero para el hijo de Napoleón III y según se dice, fue diseñado por el propio Friedrich Wohler.
Puesta en marcha de la primera planta de aluminio
Finalmente, Deville supo asociar la investigación científica con su audacia emprendedora y formó con otros empresarios una compañía, la cual empezó a producir aluminio a partir del año de 1856, y en el transcurso de 4 años el precio del kilogramo del aluminio se redujo en un factor de 100. A esta caída en el precio del metal se le conoció como el “efecto Deville”. Sin embargo, seguía siendo muy caro, lo que impedía su uso para cualquier cosa que no fuese artículos ornamentales.
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| Efecto Deville en la cotización del aluminio |
Mejoras introducidas al proceso
Dado a que el AlCl3 anhidro tenía una fuerte afinidad química por la humedad, Deville prefirió usar una sal doble de aluminio y sodio (NaCl-AlCl3), que era menos volátil que el AlCl3 y se comportaba mucho mejor en el horno, haciendo que la separación química del aluminio fuese más fácil:
NaCl-AlCl3 + 3Na è Al + 4NaCl
Observe que el producto resultante de la reacción es aluminio metálico y un subproducto, llamado hoy en día escoria, que en teoría es la sal común o sal de mesa, aunque en la práctica dudo mucho que haya sido comestible debido a la contaminación con fluoruros y óxidos de aluminio. Lo que si se ve claro es la gran cantidad NaCl que se producía, cuatro veces superior al aluminio.
En mi investigación no pude encontrar si ese subproducto era posteriormente reciclado (por el sodio), o si le daban otro uso en la industria química. De no ser así, sería entonces el primer pasivo ambiental de la incipiente industria del aluminio. Fíjense que utilizo el término "subproducto", en vez de escoria, el cual podría tener una connotación negativa, o entenderse como un desecho.
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| Desnatado del horno (escoria) |
Posteriormente, para mejorar la separación del aluminio de la escoria presente dentro del horno, se decidió mezclar el NaCl-AlCl3 con criolita (Na3AlF6). La función de la criolita era actuar como un fundente escorificante, que permitía remover la película de óxido que se formaba sobre la superficie de los glóbulos de aluminio producidos, de manera que pudiesen fusionarse fácilmente unos a otros, formando así una sola masa fundida en el fondo del lecho o solera de reacción del horno.
Todo el óxido que removía la criolita se aglomeraba formando una escoria blanquecina de sales que flotaba sobre la masa de aluminio, la cual debía ser previamente drenada del horno para poder vaciar el metal a un pequeño crisol, de donde el aluminio era colado en pequeñas lingoteras.
“Es extraño que sólo las personas extraordinarias hagan descubrimientos que luego aparecen de manera fácil y sencilla”. Georg Lichtenberg
Esa fue la manera en que se empleó la criolita en este primer método industrial, el cual dista mucho del uso actual que se le da en las celdas electrolíticas modernas. Sin embargo, el concepto detrás del uso de sales fundentes evolucionó hacia el área de colada (casthouse), en donde se estableció como una práctica metalúrgica usual para la fusión del aluminio en hornos de fusión o retención, usándose como escorificantes, desgasificantes o como fundentes de cobertura, de lavado o de limpieza de las paredes de los hornos.
Aunque hoy en día la criolita no se usa en los hornos de preparación de aleaciones, si se emplean compuestos a base de cloruros y fluoruros. Si bien, el fluoruro es útil como fundente, su mal uso suele ser dañino para los materiales refractarios, ya que reduce la vida útil del revestimiento del horno, en especial al que está en la línea de flotación del baño metálico.
Capacidad de producción del método de reducción química
Aunque el método químico para obtener aluminio fue mejorando con el tiempo, el procedimiento no aseguraba la producción de cantidades suficientes de aluminio, de modo que este metal seguía siendo considerado escaso y de poco uso.
Se empezó produciendo un promedio de 500 kg/año y a medida que el proceso se fue optimizando, la producción se incrementó a unos 3.000 kg/año (3 t/año). Sin embargo, siguió siendo una producción muy limitada, llegando a producir solamente unas 200 toneladas de aluminio a nivel mundial, durante el periodo entre 1855 a 1890.
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| Antigua planta de reducción química del aluminio |
Daville se convirtió en un experto en la refinación o purificación de metales, logrando obtener silicio cristalino (1854), boro (1856), magnesio puro (1857) y titanio puro junto con Wholer (1857). También realizó muchos trabajos en la purificación del platino, por lo que en 1872 se le encargó producir el famoso kilogramo estándar, llamado “el gran kilo”, el cual es una masa cilíndrica de 1 kg fabricado de una aleación de platino e iridio y se uso hasta el 20 de mayo de 2019 como referencia exacta para saber cuánto pesa un kg de masa. Actualmente, la unidad de masa se expresa en términos del valor de la constante de Planck.
Inicio de la era del acero y el fin del método de Deville
Para ubicar el método de Deville dentro del contexto histórico de la producción mundial de metales, vale la pena mencionar que para el año de 1856, mientras estaba surgiendo la producción de este nuevo metal, la fabricación de acero se reinventaba con el inicio de un nuevo método que prometía alto volúmenes de producción a muy bajo costo. La era del acero había iniciado, convirtiéndose en el material predilecto.
La era del acero se inició con el proceso Bessemer o convertidor Bessemer, ideado por el Inglés Henry Bessemer en 1856, el cual cambió la industria siderúrgica para siempre. Mientras el aluminio entraba a una etapa de bajo volumen y alto costo de producción, el acero hacia todo lo contrario.
Por primera vez en la historia el acero estaba disponible en abundancia y a bajo costo, para ser usado en cualquier aplicación industrial, lo que opacó cualquier otro desarrollo en la industria de los metales. Su costo disminuyó tanto que hoy en día un kg de acero al carbono normal, cuesta en promedio lo mismo que una barra de pan o "pan canilla", como se le dice en algunas partes.
"No hay nada más difícil que hacer que la gente use un metal nuevo”. Sainte-Claire Deville
La producción de aluminio por reducción química del sodio fue sentenciada por Henry Bessemer a permanecer en las vitrinas de las joyerías o ventas de artículos suntuosos, pero no por mucho tiempo. Esta fue la primera derrota aplastante que sufrió el aluminio frente al acero, en su intento por ocupar un puesto dentro de la producción mundial de metales.
Las futuras batallas del aluminio no serían contra el gigante "Goliat" o acero, sino con los metales no ferrosos que dominaban el mercado al final del siglo XIX, es decir el plomo, cobre, zinc y estaño. Estos metales eran bien conocidos desde los tiempos antiguos, y para que el aluminio pudiese abrirse paso entre ellos, tendría que implementarse estrategias agresivas de mercadeo.
Epílogo - fin del proceso
Los destellos aristocráticos del aluminio se mantuvieron hasta el año 1888, cuando se inició el segundo método industrial para producir aluminio, esta vez mediante la electrolisis de sales fundidas. Sin embargo, algunas plantas de reducción química sobrevivieron hasta el año 1891, dando por finalizado este capítulo de la historia del aluminio y surgiendo uno nuevo.
Henri Sainte-Claire Deville no vivió lo suficiente para ver como su método de producción había sido destronado por un nuevo proceso emergente, tal vez hubiese también contribuido al perfeccionamiento de dicho proceso.
"Empiezo donde lo dejó el último hombre". Thomas Edison
La historia del aluminio ha venido dándose en etapas sucesivas, en donde un descubrimiento ha llevado a otro. Cada protagonista va pavimentando el camino para que otro lo continúe. Humphry Davy identificó la existencia de un nuevo metal que llevó a Friedrich Wohler a descubrirlo y estudiarlo, lo cual permitió a Henri Sainte-Claire Deville desarrollar un método para iniciar la producción comercial de este nuevo metal.
Con el método de Deville se pasó a comercializar el aluminio de onzas a kilogramos, pero con el nuevo proceso electrolítico la producción cambió de kilogramos a toneladas. Antes de hablar sobre este segundo método comercial, es necesario describir el aporte de dos grandes protagonistas del aluminio: Alessandro Volta y Michael Faraday, quienes facilitaron el camino que llevó al nacimiento de la electrometalurgia del aluminio. A propósito, nuestro próximo protagonista, Michael Faraday, fue amigo de Deville por unos 30 años.
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