Toyota es desde hace varios años el mayor productor de automóviles del mundo, y no es casualidad. La imagen de calidad y confiabilidad extrema que supo imponer a lo largo de sus casi 80 años de vida está basada en la búsqueda constante de la perfección y la eficiencia, que no se restringió simplemente al mejoramiento de la tecnología ya existente. Por el contrario, la empresa japonesa tomó la posta en el desarrollo de formas no convencionales y más ecológicas de propulsión, con el claro objetivo de liderar un cambio de paradigma en la industria. Fue así como creó al Prius, el primer vehículo híbrido masivo de la historia, éxito rotundo e indiscutido en su rol y modelo a seguir por el resto de las compañías. Si bien en sus primeros momentos de vida recibió fuertes críticas, y hasta fue ridiculizado por algunos medios y empresas rivales, la historia le dio la razón a Toyota, que ahora está dispuesta a arriesgarse de nuevo y redoblar la apuesta.

Continuando el legado

El Toyota Prius –“pionero” en japonés– es un vehículo híbrido, que combina un motor eléctrico con uno de combustión interna (convencional) para producir potencia. Ambos están vinculados a un generador destinado a recargar las baterías, las cuales además pueden cargarse por la regeneración producida en las desaceleraciones. La presencia del motor de combustión hace que, si bien el vehículo consume menos combustible fósil para su funcionamiento, aún existan emisiones contaminantes. Sin embargo, el trabajo de Toyota vinculado con el desarrollo de energías completamente limpias maduró luego de décadas de desarrollo, haciendo que gracias a la química y al replanteo de la elección del combustible, haya sido posible construir un vehículo que sea capaz de generar la totalidad de la energía requerida para su funcionamiento de manera autónoma y completamente libre de huella de carbono. El Prius puede sentirse orgulloso de su sucesor: el Mirai.

Este nuevo automóvil –su nombre significa nada menos que “futuro” en japonés–, quedará en la historia como el primer vehículo de producción en masa propulsado por hidrógeno, cuyas emisiones no son más que monóxido de dihidrógeno (H₂O), comúnmente conocido como agua. Si a esto le sumamos una autonomía que superaría los 600 km y un tiempo de reabastecimiento de aproximadamente 5 minutos, no deberá sorprendernos que el Toyota Mirai esté comenzando a escribir un nuevo capítulo en la historia del automóvil.

Funcionamiento y componentes

El sistema de propulsión es lo que hace a este auto un vehículo extraordinario. Para explicarlo de forma sencilla, el Mirai reemplaza a la gasolina como combustible por el hidrógeno (el elemento químico más abundante en el universo), pero en lugar de alimentar a un motor de combustión interna, el hidrógeno –almacenado en tubos en estado gaseoso– se combina con el oxígeno del aire en un dispositivo llamado “pila de combustible”; allí, ambos elementos sufren un proceso químico que genera electricidad, dejando como “residuo” simplemente pequeñas cantidades de agua. A partir de aquí el Mirai funciona como un “simple” auto eléctrico, ya que la energía generada alimenta a un motor eléctrico que mueve las ruedas, mientras que otra parte se almacena en una batería a modo de reserva.

Sin dudas, uno de los principales retos a vencer fue el del almacenamiento del combustible, debido a la baja densidad energética que presenta el hidrógeno respecto del volumen que ocupa. El vehículo cuenta con dos tanques, que en su conjunto proporcionan un volumen de almacenamiento de 122,4 litros, pudiendo alojar alrededor de 5 kg de hidrógeno gaseoso. La presión máxima de trabajo será de 70 MPa, o sea más de 700 kg fuerza aplicados sobre cada cm² del cilindro; esto equivale a tres veces y media más de presión de lo que soporta un tubo de GNC. Los tubos están hechos de fibra de carbono, con un recubrimiento plástico en su interior y una cubierta de fibra de vidrio en su exterior, creando un innovador recipiente sumamente resistente y liviano.

La pila de combustible es el corazón del vehículo, el dispositivo en el que se produce la reacción química que genera la energía que impulsa al motor eléctrico. Está compuesta por 370 celdas, cada una provista de electrodos positivos (cátodos) y negativos (ánodos), separados por un electrolito sólido de polímero, recubierto por capas que contienen un catalizador apropiado (como el platino) para acelerar la velocidad de reacción. El hidrógeno ingresa al ánodo, donde activado por el catalizador se oxida y libera sus electrones, los cuales viajan hacia el cátodo, generando la corriente eléctrica. Luego, el protón atraviesa la membrana polimérica, que debe estar humidificada para incrementar su conductividad protónica; cuando llega al cátodo, se pone en presencia del comburente (oxígeno del aire) y del catalizador, generándose una reducción que produce como “residuo” dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno –agua–, además de calor por tratarse de una reacción exotérmica.

Algunas novedades introducidas por Toyota en este proceso son la reutilización del agua generada como agente humidificante del electrolito y una capa exterior del cátodo con una configuración especial que, por su reticulado y disposición espacial, hacen que menor cantidad de agua quede “atascada” en la misma, afectando negativamente a la velocidad de reacción. Complementariamente se redujo la dimensión de todos los elementos mencionados, elevando al mismo tiempo su eficiencia de funcionamiento. Por último, es importante aclarar que como la diferencia de potencial proporcionada por cada celda es inferior a 1 V, las mismas están dispuestas en serie para lograr que sus tensiones se sumen, permitiendo que la pila erogue una potencia máxima de 114 kW (ó 155 HP).

No menos importante en el proceso de generación es el dispositivo boost converter, o sea un “elevador” DC-DC de cuatro etapas, encargado de incrementar la tensión entregada por la pila de combustible –a costa de una consecuente reducción en la corriente–, permitiendo que la tensión de trabajo del motor pueda alcanzarse con una menor cantidad de celdas; esto redunda en un menor número de piezas y volumen de la pila. La tensión erogada por el convertidor es de 650 V, y la corriente de salida es –al igual que la entregada por la pila– del tipo continua.

Como batería, el vehículo cuenta con un modesto reservorio de energía de Níquel-Hidruro Metálico (NI-MH), cuyo objetivo primario es almacenar la energía generada por el motor en la etapa de desaceleración; si esto no alcanza, la recarga puede completarse con energía procedente de la pila. La batería se encuentra disponible para alimentar al motor eléctrico durante los momentos de mayor requerimiento energético, como las aceleraciones de parado y los sobrepasos, conjuntamente con la energía generada por la pila.

El motor del Mirai es un propulsor sincrónico de corriente alterna de 113 KW (154 HP) de potencia, que además funciona como generador durante el proceso de desaceleración del vehículo. Esta tecnología es comúnmente utilizada hoy en día por todos los vehículos eléctricos e híbridos, tanto de Toyota como de la competencia.

Finalmente, todos los elementos descriptos están comandados por una unidad de control y poder. Este “cerebro” digital es el encargado satisfacer de manera inmediata los requisitos de potencia demandados por el conductor. Para ello, genera las órdenes que producen la reacción química, cuyo resultado es amplificado por el convertidor; esa corriente continua es convertida a corriente alterna (DC-AC) por la unidad de control y poder, que es luego entregada al motor, si es necesario conjuntamente con la energía almacenada en la batería. Esta unidad también gestiona la energía generada por el motor en los momentos de desaceleración y envía la misma a la batería para recargarla.

Comportamiento dinámico y funcional

El logro más impresionante de Toyota fue lograr que todos los componentes mencionados anteriormente funcionen armónicamente y estén presentes en un vehículo de producción en serie, a un precio que, si bien no será nada barato, se estima alcanzable por la media de la gente en los mercados “desarrollados” en los que se comercializará (con la ayuda de leasing, crédito, combustible gratuito, etc.).

El Mirai promete una conducción suave y de características similares a las percibidas en vehículos híbridos o puramente eléctricos disponibles hoy en el mercado. Sus prestaciones no sorprenden, pero tampoco desentonan: necesita 9 segundos para acelerar de 0 a 100 km/h y alcanza una velocidad máxima de casi 180 km/h. Sin embargo, queda claro que ésta no será la principal preocupación del público al cual apunta este vehículo.

Uno de los puntos fuertes del auto es su capacidad para recorrer más de 600 km con una sola carga de hidrógeno (cabe aclarar que Toyota les regalará el combustible a los compradores de los Estados Unidos durante los primeros tres años de uso). Esta autonomía es comparable –o superior– a la de muchos vehículos nafteros que actualmente se comercializan en el mundo, y es sensiblemente más elevada que la ofrecida por los vehículos puramente eléctricos (nuevo Chevrolet Bolt: 300 km / Nissan Leaf: 200 km). Siendo quisquillosos, se podría criticar su espacio para llevar solo cuatro pasajeros y un baúl algo reducido para su segmento, producto del volumen ocupado por los elementos del sistema de propulsión y almacenamiento.

Otro de los aspectos novedosos del funcionamiento del Mirai es su proceso de recarga, que se realiza anexando una manguera que le inyecta hidrógeno en estado gaseoso (conceptualmente similar a una recarga de un vehículo a GNC), haciendo que en alrededor de cinco minutos el usuario disponga nuevamente de los 5 Kg de hidrógeno que pueden caber en los tanques.

Patentes compartidas, metas comunes

Si bien la tecnología con la que cuenta el Mirai es disruptiva y sin dudas novedosa, es aún más sorprendente la decisión que tomó Toyota en torno a las investigaciones y patentes que desarrolló sobre la misma: serán libres. Este gesto casi magnánimo pone de manifiesto el deseo de los directores de la marca de apostar a un mundo más limpio e impulsado por hidrógeno.

Son 5.680 las patentes asociadas con el sistema de propulsión del Mirai que estarán disponibles para que otras empresas puedan adoptarlas sin costo. Se espera que esto promueva el esfuerzo mancomunado de todas las compañías que deseen profundizar esta tecnología, haciendo que mejores autos, más accesibles y con optimizadas prestaciones estén disponibles en un futuro más cercano.

Desafíos por delante

Sin dudas, el principal desafío que deberá enfrentar el Mirai es la falta de infraestructura para reabastecerlo de hidrógeno. El vehículo ya se ofrece en Japón, donde existe un importante apoyo gubernamental (políticas y subsidios para aumentar la red de distribución de hidrógeno) y una relativa capacidad instalada de repostaje, mientras que en los Estados Unidos comenzará a comercializarse a fines de este año pero únicamente en California, donde actualmente hay una pequeña red de abastecimiento. Para intentar revertir este problema, Toyota está realizando alianzas con proveedores de hidrógeno como Air Liquide y con otras compañías automotrices como Honda y Nissan (en febrero de este año se firmó el primer acuerdo de cooperación entre las tres) para colaborar en la creación de nuevos puntos de abastecimiento de combustible.

Otro aspecto a tener en cuenta es el proceso de obtención del hidrógeno empleado como combustible. Las formas principales son por fermentación de biomasa, reformado del metano con vapor y electrólisis del agua. El problema es que todos estos procesos son complejos y pueden tener asociadas emisiones contaminantes (directas o indirectas). Por ejemplo, si bien la electrólisis parecería ser el mejor método, requiere de enormes cantidades de energía para separar el hidrógeno del agua que, si no es obtenida de manera limpia, convertiría al concepto de  “cero emisiones” en una falacia.

Por último, es importante remarcar que esta tecnología será costosa. Se estima que en los Estados Unidos el Mirai tendrá un precio –sin incentivos impositivos– de $57,500 USD que, comparado con los $30,000 USD que cuesta un Toyota Camry o los $60,000 USD que vale un brutal Dodge Charger Hellcat (707 CV), resulta una cifra bastante elevada para un sedán mediano. Por este motivo, otras renombradas compañías han decidido posponer la oferta de productos similares, y hasta empresas “limpias” como Tesla acusan a esta tecnología de ser “la pila del engaño”. Finalmente, aunque este vehículo genera gran interés y expectativa, el camino a recorrer todavía es largo y va a demandar paciencia hasta ver avances materiales en la propulsión a hidrógeno.

Muchos amantes de los vehículos a combustión ya “comenzamos” a extrañar el ronroneo de los motores térmicos, que eriza la piel y genera una embriagante sensación de poder y adrenalina. La realidad es que estos autos ya están comenzando a formar parte de la historia, y en un siglo serán piezas de museo que harán que las próximas generaciones sientan hasta un poco de rechazo al ver esas máquinas tan admiradas, que formaron parte del tremendo proceso de contaminación global.

No hay mayor demostración de valentía que animarse a ser distinto y a transitar caminos inexplorados, jaqueando intereses y poderes consolidados. Más allá de qué potencia erogue la pila de combustible, o si la autonomía es de 550 o 630 km, el mayor valor que tiene el Mirai es el de romper con lo establecido en pos de desarrollar una movilidad limpia que contribuya a una mayor salud para nuestro planeta y la de los que lo habitamos.