Las fábricas de cemento como la que se muestra aquí son una importante fuente de dióxido de carbono que contribuye al calentamiento global. Sin embargo, algunos de estos contaminantes pueden transformarse en un nuevo tipo de combustible. Esta sal puede almacenarse de forma segura durante décadas o incluso más tiempo.
Este es otro artículo de una serie que analiza las nuevas tecnologías y acciones que pueden frenar el cambio climático, reducir sus impactos o ayudar a las comunidades a afrontar un mundo que cambia rápidamente.
Las actividades que liberan dióxido de carbono (CO2), un gas de efecto invernadero común, contribuyen al calentamiento de la atmósfera terrestre. La idea de extraer CO2 del aire y almacenarlo no es nueva, pero su implementación resulta compleja, especialmente cuando la población tiene recursos económicos suficientes. Un nuevo sistema aborda el problema de la contaminación por CO2 de una manera ligeramente diferente: convierte químicamente este gas de efecto invernadero en combustible.
El 15 de noviembre, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Cambridge publicaron sus innovadores resultados en la revista Cell Reports Physical Science.
Su nuevo sistema se divide en dos partes. La primera consiste en convertir el dióxido de carbono del aire en una molécula llamada formato para producir combustible. Al igual que el dióxido de carbono, el formato contiene un átomo de carbono, dos de oxígeno y uno de hidrógeno. El formato también contiene otros elementos. El nuevo estudio utilizó formato de sodio o potasio.
La mayoría de las pilas de combustible funcionan con hidrógeno, un gas inflamable que requiere gasoductos y tanques presurizados para su transporte. Sin embargo, también pueden funcionar con formato. Según Li Ju, científico de materiales que lideró el desarrollo del nuevo sistema, el formato tiene un contenido energético comparable al del hidrógeno. Li Ju señaló que el formato presenta algunas ventajas sobre el hidrógeno: es más seguro y no requiere almacenamiento a alta presión.
Investigadores del MIT crearon una celda de combustible para probar el formato, que producen a partir de dióxido de carbono. Primero, mezclaron la sal con agua. Luego, introdujeron la mezcla en una celda de combustible. Dentro de la celda, el formato liberó electrones en una reacción química. Estos electrones fluyeron del electrodo negativo al positivo de la celda, completando un circuito eléctrico. Este flujo de electrones —una corriente eléctrica— estuvo presente durante 200 horas a lo largo del experimento.
Zhen Zhang, un científico de materiales que trabaja con Li en el MIT, se muestra optimista y cree que su equipo podrá ampliar la nueva tecnología en el plazo de una década.
El equipo de investigación del MIT utilizó un método químico para convertir el dióxido de carbono en un ingrediente clave para la producción de combustible. Primero, lo expusieron a una solución altamente alcalina. Eligieron hidróxido de sodio (NaOH), comúnmente conocido como sosa cáustica. Esto desencadena una reacción química que produce bicarbonato de sodio (NaHCO3), más conocido como bicarbonato de sodio.
Luego encendieron la corriente. La corriente eléctrica desencadenó una nueva reacción química que separó cada átomo de oxígeno de la molécula de bicarbonato de sodio, dejando como resultado formiato de sodio (NaCHO2). Su sistema convirtió casi todo el carbono del CO2 —más del 96 por ciento— en esta sal.
La energía necesaria para eliminar el oxígeno se almacena en los enlaces químicos del formato. El profesor Li señaló que el formato puede almacenar esta energía durante décadas sin perder energía potencial. Posteriormente, genera electricidad al pasar por una pila de combustible. Si la electricidad utilizada para producir el formato proviene de energía solar, eólica o hidroeléctrica, la electricidad generada por la pila de combustible será una fuente de energía limpia.
Para ampliar la nueva tecnología, Lee explicó: «Necesitamos encontrar ricos yacimientos geológicos de lejía». Estudió un tipo de roca llamada basalto alcalino. Al mezclarse con agua, estas rocas se transforman en lejía.
Farzan Kazemifar es ingeniero en la Universidad Estatal de San José, California. Su investigación se centra en el almacenamiento de dióxido de carbono en formaciones salinas subterráneas. Eliminar el dióxido de carbono del aire siempre ha sido difícil y, por lo tanto, costoso, explica. Por ello, resulta rentable convertir el CO2 en productos útiles como el formato. El coste del producto puede compensar el coste de producción.
Se han realizado numerosas investigaciones sobre la captura de dióxido de carbono del aire. Por ejemplo, un equipo de científicos de la Universidad de Lehigh describió recientemente otro método para filtrar el dióxido de carbono del aire y convertirlo en bicarbonato de sodio. Otros grupos de investigación almacenan CO2 en rocas especiales, transformándolo en carbono sólido que posteriormente puede procesarse para obtener etanol, un combustible alcohólico. La mayoría de estos proyectos son a pequeña escala y aún no han tenido un impacto significativo en la reducción de los altos niveles de dióxido de carbono en el aire.
Esta imagen muestra una casa que funciona con dióxido de carbono. El dispositivo que se muestra aquí convierte el dióxido de carbono (las moléculas en las burbujas rojas y blancas) en una sal llamada formiato (las burbujas azules, rojas, blancas y negras). Esta sal se puede usar en una pila de combustible para generar electricidad.
Kazemifar afirmó que nuestra mejor opción es “reducir primero las emisiones de gases de efecto invernadero”. Una forma de lograrlo es sustituir los combustibles fósiles por fuentes de energía renovables como la eólica o la solar. Esto forma parte de una transición que los científicos denominan “descarbonización”. Sin embargo, añadió que detener el cambio climático requerirá un enfoque multifacético. Esta nueva tecnología es necesaria para capturar el carbono en áreas difíciles de descarbonizar, explicó. Por ejemplo, las acerías y las fábricas de cemento.
El equipo del MIT también ve ventajas en combinar su nueva tecnología con la energía solar y eólica. Las baterías tradicionales están diseñadas para almacenar energía durante semanas. Almacenar la luz solar del verano durante el invierno o incluso más tiempo requiere un enfoque diferente. «Con el combustible de formato», dijo Lee, «ya no estamos limitados ni siquiera al almacenamiento estacional. Podría ser para toda una generación».
Puede que no brille como el oro, pero “puedo dejar 200 toneladas… de formato a mis hijos e hijas”, dijo Lee, “como herencia”.
Alcalino: Adjetivo que describe una sustancia química que forma iones hidróxido (OH-) en solución. Estas soluciones también se denominan alcalinas (en contraposición a ácidas) y tienen un pH superior a 7.
Acuífero: Formación rocosa capaz de contener depósitos subterráneos de agua. El término también se aplica a las cuencas subterráneas.
Basalto: Roca volcánica negra que suele ser muy densa (a menos que una erupción volcánica haya dejado grandes bolsas de gas en su interior).
Enlace: (en química) conexión semipermanente entre átomos (o grupos de átomos) en una molécula. Se forma por fuerzas de atracción entre los átomos participantes. Una vez formados los enlaces, los átomos funcionan como una unidad. Para separar los átomos constituyentes, se debe suministrar energía a las moléculas en forma de calor u otra radiación.
Carbono: Un elemento químico que constituye la base física de toda la vida en la Tierra. El carbono existe libremente en forma de grafito y diamante. Es un componente importante del carbón, la piedra caliza y el petróleo, y tiene la capacidad de autoasociarse químicamente para formar una amplia variedad de moléculas de valor químico, biológico y comercial. (En la investigación climática) El término carbono se utiliza a veces casi indistintamente con dióxido de carbono para referirse al impacto potencial que una acción, producto, política o proceso puede tener en el calentamiento a largo plazo de la atmósfera.
El dióxido de carbono (o CO₂) es un gas incoloro e inodoro producido por todos los animales cuando el oxígeno que respiran reacciona con los alimentos ricos en carbono que consumen. También se libera al quemar materia orgánica, incluidos combustibles fósiles como el petróleo o el gas natural. El dióxido de carbono es un gas de efecto invernadero que retiene el calor en la atmósfera terrestre. Las plantas convierten el dióxido de carbono en oxígeno mediante la fotosíntesis y utilizan este proceso para producir su propio alimento.
Cemento: Un aglutinante que se usa para unir dos materiales, haciendo que se endurezcan y formen un sólido, o un pegamento espeso que se usa para unir dos materiales. (Construcción) Un material finamente molido que se usa para unir arena o roca triturada y formar concreto. El cemento generalmente se fabrica en polvo. Pero una vez que se moja, se convierte en una pasta fangosa que se endurece al secarse.
Sustancia química: compuesta por dos o más átomos unidos en una proporción y estructura fijas. Por ejemplo, el agua es una sustancia química formada por dos átomos de hidrógeno unidos a un átomo de oxígeno. Su fórmula química es H₂O. El término «químico» también puede usarse como adjetivo para describir las propiedades de una sustancia que resultan de diversas reacciones entre diferentes compuestos.
Enlace químico: Fuerza de atracción entre átomos lo suficientemente fuerte como para que los elementos enlazados funcionen como una unidad. Algunas atracciones son débiles, otras fuertes. Todos los enlaces parecen conectar átomos compartiendo (o intentando compartir) electrones.
Reacción química: Proceso que implica una reorganización de las moléculas o estructuras de una sustancia, en lugar de un cambio en su forma física (por ejemplo, de sólido a gas).
Química: la rama de la ciencia que estudia la composición, la estructura, las propiedades y las interacciones de las sustancias. Los científicos utilizan este conocimiento para estudiar sustancias desconocidas, reproducir sustancias útiles en grandes cantidades o diseñar y crear nuevas sustancias útiles. (de compuestos químicos) La química también se refiere a la fórmula de un compuesto, el método por el cual se prepara o algunas de sus propiedades. Las personas que trabajan en este campo se llaman químicos. (en las ciencias sociales) la capacidad de las personas para cooperar, llevarse bien y disfrutar de la compañía mutua.
Cambio climático: Un cambio significativo y a largo plazo en el clima de la Tierra. Puede ocurrir de forma natural o como resultado de actividades humanas, como la quema de combustibles fósiles y la deforestación.
Descarbonización: se refiere a la transición intencional hacia tecnologías, actividades y fuentes de energía contaminantes que emiten gases de efecto invernadero a base de carbono, como el dióxido de carbono y el metano, a la atmósfera. El objetivo es reducir la cantidad de gases de carbono que contribuyen al cambio climático.
Electricidad: El flujo de carga eléctrica, que generalmente resulta del movimiento de partículas con carga negativa llamadas electrones.
Electrón: partícula con carga negativa que normalmente orbita la región exterior de un átomo; también es el portador de electricidad en los sólidos.
Ingeniero/a: Persona que utiliza la ciencia y las matemáticas para resolver problemas. Cuando se usa como verbo, la palabra ingeniero/a se refiere al diseño de un dispositivo, material o proceso para resolver un problema o una necesidad insatisfecha.
Etanol: Un alcohol, también llamado alcohol etílico, que es la base de bebidas alcohólicas como la cerveza, el vino y los licores. También se utiliza como disolvente y combustible (por ejemplo, a menudo mezclado con gasolina).
Filtro: (sust.) Algo que permite el paso de ciertos materiales y de otros, según su tamaño u otras características. (verbo) El proceso de seleccionar ciertas sustancias en función de propiedades como el tamaño, la densidad, la carga, etc. (en física) Una pantalla, placa o capa de una sustancia que absorbe la luz u otra radiación o impide selectivamente el paso de algunos de sus componentes.
Formato: Término general para las sales o ésteres del ácido fórmico, una forma oxidada de un ácido graso. (Un éster es un compuesto a base de carbono que se forma al reemplazar los átomos de hidrógeno de ciertos ácidos con ciertos tipos de grupos orgánicos. Muchas grasas y aceites esenciales son ésteres de ácidos grasos que se encuentran de forma natural).
Combustible fósil: Cualquier combustible, como el carbón, el petróleo (crudo) o el gas natural, que se formó durante millones de años en el interior de la Tierra a partir de los restos en descomposición de bacterias, plantas o animales.
Combustible: Cualquier sustancia que libera energía mediante una reacción química o nuclear controlada. Los combustibles fósiles (carbón, gas natural y petróleo) son combustibles comunes que liberan energía mediante reacciones químicas al calentarse (generalmente hasta el punto de combustión).
Pila de combustible: Dispositivo que convierte la energía química en energía eléctrica. El combustible más común es el hidrógeno, cuyo único subproducto es el vapor de agua.
Geología: Adjetivo que describe todo lo relacionado con la estructura física de la Tierra, sus materiales, su historia y los procesos que ocurren en ella. Las personas que trabajan en este campo se llaman geólogos.
Calentamiento global: Aumento gradual de la temperatura global de la atmósfera terrestre debido al efecto invernadero. Este efecto se produce por el aumento de los niveles de dióxido de carbono, clorofluorocarbonos y otros gases presentes en el aire, muchos de los cuales son emitidos por actividades humanas.
Hidrógeno: El elemento más ligero del universo. En estado gaseoso, es incoloro, inodoro y extremadamente inflamable. Forma parte de muchos combustibles, grasas y de las sustancias químicas que componen los tejidos vivos. Está compuesto por un protón (el núcleo) y un electrón que orbita a su alrededor.
Innovación: (v. innovar; adj. innovar) Un ajuste o mejora a una idea, proceso o producto existente para hacerlo más nuevo, más inteligente, más eficiente o más útil.
Lejía: Nombre genérico de la solución de hidróxido de sodio (NaOH). La lejía se suele mezclar con aceites vegetales o grasas animales y otros ingredientes para elaborar jabón en barra.
Científico de materiales: Investigador que estudia la relación entre la estructura atómica y molecular de un material y sus propiedades generales. Los científicos de materiales pueden desarrollar nuevos materiales o analizar los existentes. El análisis de las propiedades generales de un material, como la densidad, la resistencia y el punto de fusión, puede ayudar a ingenieros y otros investigadores a seleccionar los mejores materiales para nuevas aplicaciones.
Molécula: Un grupo de átomos eléctricamente neutros que representa la cantidad mínima posible de un compuesto químico. Las moléculas pueden estar formadas por un solo tipo de átomo o por diferentes tipos de átomos. Por ejemplo, el oxígeno del aire está formado por dos átomos de oxígeno (O₂) y el agua por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (H₂O).
Contaminante: Sustancia que contamina algo, como el aire, el agua, las personas o los alimentos. Algunos contaminantes son químicos, como los pesticidas. Otros contaminantes pueden ser la radiación, incluyendo el calor o la luz excesivos. Incluso las malas hierbas y otras especies invasoras pueden considerarse una forma de bioincrustación.
Potente: Adjetivo que se refiere a algo que es muy fuerte o poderoso (como un germen, un veneno, un medicamento o un ácido).
Renovable: Adjetivo que se refiere a un recurso que puede reemplazarse indefinidamente (como el agua, las plantas, la luz solar y el viento). Esto contrasta con los recursos no renovables, que tienen un suministro limitado y pueden agotarse. Los recursos no renovables incluyen el petróleo (y otros combustibles fósiles) o elementos y minerales relativamente escasos.