Abordando las preocupaciones del dióxido de carbono con materiales fotocatalíticos recién descubiertos

El volumen global de emisiones de dióxido de carbono es el desafío más grave que enfrentamos hoy. Estas emisiones se han convertido particularmente en una amenaza existencial en los últimos 75 años. 

En 1950, el mundo emitió 6 mil millones de toneladas de dióxido de carbono. Para 1990, había llegado a 20 mil millones de toneladas. Y ahora supera los 35 mil millones de toneladas. Estados Unidos solo ha emitido alrededor de 400 mil millones de toneladas de dióxido de carbono desde 1751, casi una cuarta parte de todas las emisiones hasta la fecha. Desde 1751, el volumen global acumulado de emisiones de dióxido de carbono ha sido de 1,5 billones de toneladas. 

El dióxido de carbono puede provenir de muchas fuentes, incluyendo la quema de combustibles fósiles, incendios forestales, erupciones volcánicas, etc. Es nocivo porque es un gas que atrapa el calor. El dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero forman una manta o capa que retiene el calor que el planeta de otro modo podría haber radiado al espacio. 

Lo que es aún más preocupante es que la capacidad de atrapar calor del dióxido de carbono es enorme, y un pequeño volumen de dióxido de carbono atmosférico puede retener cantidades colosales de calor. La cifra de más de 35 mil millones de toneladas que discutimos es el resultado de la mera presencia del dióxido de carbono en una escala de 0,04 % de la atmósfera. 

Al explicar cuán insignificante es la presencia del dióxido de carbono en la atmósfera, Jason Smerdon, científico climático del Lamont‑Doherty Earth Observatory de la Universidad de Columbia, dibujó la siguiente analogía: 

«Si una persona de mi tamaño bebe dos cervezas, su nivel de alcohol en sangre será aproximadamente del 0,04 %.» 

Sin embargo, luego nos recuerda que incluso un pequeño volumen de una sustancia puede acarrear consecuencias desfavorables que van más allá de la reparación. Continúa diciendo: 

«No se necesita mucho cianuro para envenenar a una persona. Lo que importa es cómo esa sustancia específica interactúa con el sistema mayor y qué hace para influir en ese sistema.»

Por lo tanto, las propiedades de retención de calor del dióxido de carbono y de otros gases de efecto invernadero son una amenaza que debe abordarse con la máxima urgencia y seriedad. 

Climate and Clean Air Coalition, una iniciativa convocada por la UNEP, reconoce esta urgencia con los términos más elocuentes posibles. Afirma: 

«Nos estamos quedando sin tiempo para mantener el calentamiento por debajo de 2 grados Celsius.»

Según Durwood Zaelke, presidente del Comité y presidente del Institute for Governance and International Development (IGSD):

«No podemos resolver un problema de movimiento rápido como el cambio climático con soluciones de movimiento lento. La velocidad es nuestra nueva métrica: velocidad para reducir los SLCPs para 2030, lograr energía limpia y emisiones netas cero para 2050, y eliminar una parte creciente del dióxido de carbono que ya hemos emitido.»

Zaelke cuantifica además el objetivo diciendo:  

«Reducir los SLCPs puede evitar 0,6 grados de calentamiento a mediados de siglo y jugar un papel fundamental si queremos mantener el calentamiento en 1,5 grados.»

Aquí, SLCPs significa contaminantes climáticos de corta duración. Abordar las preocupaciones del dióxido de carbono es la necesidad del momento. Satisfacer una urgencia sin precedentes no será posible sin soluciones innovadoras. En los siguientes segmentos, discutimos esas formas innovadoras que han surgido recientemente. 

Los investigadores muestran cómo convertir el dióxido de carbono en combustible sostenible

Un equipo internacional de investigadores, que incluye representantes de la School of Chemistry de la Universidad de Nottingham, la Universidad de Birmingham, la Universidad de Queensland y la Universidad de Ulm, ha diseñado un material que puede considerarse una forma significativa y decisiva en la producción de nuevos combustibles verdes.

Más sobre el material

El material se deriva de cobre anclado en nitruro de carbono nanocristalino. Los átomos de cobre reposan dentro de la estructura nanocristalina, permitiendo que los electrones se desplacen del nitruro de carbono al dióxido de carbono. Este movimiento es fundamental para producir metanol a partir del dióxido de carbono bajo irradiación solar. 

Si logra escalar con éxito, el procedimiento resolverá uno de los problemas más cruciales al enfrentar las amenazas que plantea el dióxido de carbono. 

El dióxido de carbono, el agente más importante del calentamiento global, puede convertirse en productos útiles. Sin embargo, hasta ahora, esos procesos de conversión nos han obligado a depender del hidrógeno proveniente de combustibles fósiles. Por primera vez se está utilizando energía solar.

La investigación valida la necesidad de desarrollar métodos alternativos, basados en la foto‑ y electrocatalisis, procesos que aprovechan eficientemente la energía solar sostenible y la abundancia de agua.

Según la Dra. Madasamy Thangamuthu, una de las becarias de investigación en la School of Chemistry: 

«Existe una gran variedad de materiales diferentes utilizados en fotocatálisis. Es importante que el fotocatalizador absorba luz y separe los portadores de carga con alta eficiencia. En nuestro enfoque, controlamos el material a escala nanométrica. Desarrollamos una nueva forma de nitruro de carbono con dominios nanocristalinos que permiten una interacción eficiente con la luz así como una separación de carga suficiente.»

Haz clic aquí para obtener una lista de las principales acciones de captura de carbono.

Más sobre el proceso

El proceso de calentamiento utilizado en la investigación garantizó que el nitruro de carbono alcanzara el nivel requerido de cristalinidad, esencial para maximizar el potencial del material para la fotocatálisis. El proceso también involucró pulverización por magnetrón para depositar cobre sin usar disolventes. Esta ausencia de disolventes permitió un contacto íntimo entre el semiconductor y los átomos de metal. 

Según Tara LeMercier, estudiante de doctorado en la School of Chemistry de la Universidad de Nottingham:

«Incluso sin cobre, la nueva forma de nitruro de carbono es 44 veces más activa que el nitruro de carbono tradicional. Sin embargo, para nuestra sorpresa, la adición de solo 1 mg de cobre por 1 g de nitruro de carbono cuadruplicó esta eficiencia. Lo más importante, la selectividad cambió de metano, otro gas de efecto invernadero, a metanol, un valioso combustible verde.»

En conjunto, el experimento fue pionero al usar catalizadores que solo constaban de elementos sostenibles. Según el profesor Andrei Khlobystov de la School of Chemistry:

«La valorización del dióxido de carbono es clave para lograr la ambición de cero emisiones netas del Reino Unido. Es vital asegurar la sostenibilidad de los materiales de nuestro catalizador para esta reacción importante. Una gran ventaja del nuevo catalizador es que está compuesto por elementos sostenibles — carbono, nitrógeno y cobre — todos altamente abundantes en nuestro planeta.»

Empresas de todo el mundo están trabajando en convertir el carbono en energía verde. Algunas de estas compañías nos han brindado soluciones realmente emocionantes, innovadoras y efectivas. 

#1. Climeworks

Climeworks es conocida por sus instalaciones de captura directa de aire y almacenamiento, que eliminan el dióxido de carbono del aire. Además de operar sus instalaciones de eliminación de carbono, Climeworks también se asocia con otros para asegurar una cartera completa de soluciones de alta calidad para la estrategia global de cero neto.

La empresa está activa en todo el mundo y ofrece soluciones diversas adaptadas a necesidades específicas. Por ejemplo, en Islandia, la compañía, con la ayuda de su socio de almacenamiento Carbfix, transporta el dióxido de carbono a profundidades subterráneas y lo hace reaccionar con roca basáltica mediante un proceso natural, de modo que la emisión nociva se transforma en piedra y permanece encapsulada de forma segura durante más de 10 000 años. 

En los Estados Unidos, Climeworks ha anunciado tres proyectos bajo el programa Regional DAC Hubs del Departamento de Energía de EE. UU. El proyecto Cypress, del cual Climeworks ha sido socio desarrollador, desplegará el método de captura directa de aire para eliminar el exceso de dióxido de carbono (CO₂) de la atmósfera y prevenir el empeoramiento de eventos climáticos extremos, como huracanes, sequías e inundaciones, a largo plazo. 

En Zúrich, Suiza, Climeworks ha desarrollado una instalación que ayuda a producir vegetales neutros en carbono. Su planta de captura directa de aire bombea el gas a los invernaderos, impulsando la fotosíntesis de las plantas y aumentando su rendimiento hasta en un 20 %. Climeworks afirma que extraerá alrededor de 900 toneladas de CO₂ al año del aire.

Según Matt Lucas del Centre for Carbon Removal:

«Las tecnologías para capturar CO₂ del aire, como las unidades de Climeworks, tienen el potencial de experimentar caídas de precios tan pronunciadas como las que hemos visto con la solar, la eólica y las baterías, que también son productos fabricados en fábrica.»

El 9 de abril de 2024, Climeworks recibió 2,2 millones de CHF (26 m NOK) en financiación noruega de Enova, la empresa estatal propiedad del Ministerio noruego de Clima y Medio Ambiente. 

Hace dos años, Climeworks había firmado una ronda de capital de 600 millones de CHF (650 millones de USD). La lista de inversores incluía a varios inversores institucionales de tecnología e infraestructura bien conocidos y de gran tamaño a nivel mundial.

#2. Heirloom Carbon

Heirloom Carbon ha construido la primera instalación comercial de captura directa de aire en los Estados Unidos. Alimentada completamente por energía renovable, la instalación elimina permanentemente el dióxido de carbono de la atmósfera. 

Aprovecha el proceso de mineralización del carbono, donde rocas como la piedra caliza —conocidas como sumideros naturales de carbono— capturan grandes cantidades de CO₂ a lo largo del tiempo. Como una de las rocas más abundantes del planeta, la piedra caliza puede capturar enormes cantidades de CO₂ del aire durante años. Y la tecnología de Heirloom Carbon acelera este proceso a apenas días. 

La tecnología de Heirloom tiene múltiples beneficios. Elimina permanentemente el dióxido de carbono, asegurando que el gas permanezca almacenado de forma segura bajo tierra para siempre. Los servicios de Heirloom también tienen una huella ambiental mínima, ya que sus instalaciones pueden eliminar 50 toneladas de CO₂ por metro cuadrado y pueden ubicarse en tierras no cultivables.

Con el tiempo, Heirloom cree que sus servicios serán óptimamente rentables, con sus créditos de eliminación de carbono costando menos de 100 USD por tonelada de dióxido de carbono para 2035. 

En abril de 2022, Heirloom obtuvo 1 millón de USD como subvención de la Mask Foundation y XPRIZE. Recaudó 53 millones de USD en la serie A de AENU y una docena de otros inversores el 17 de marzo de 2022. En junio de 2021, Heirloom recibió una subvención de 255 737 USD de la National Science Foundation. 

Enfoque en un plan integral para abordar las emisiones de carbono

Tal plan considera el ciclo de vida completo de la emisión de carbono y planea abordarla en todas partes de la manera más prudente, optimizada por sitio y eficiente posible. Por ejemplo, soluciones como Climate TRACE ayudan a identificar puntos críticos de emisión global con satélites y aprendizaje automático. Empresas como CarbonChain, por otro lado, ayudan a reducir emisiones en la cadena de suministro al asistir a las empresas a perfilar sus emisiones actuales y encontrar formas de reducirlas mediante el uso de inteligencia artificial. Reconocer fugas de energía también forma parte de este plan integral. 

Una vez completado el proceso de identificación, existen tres formas posibles de abordar las preocupaciones del dióxido de carbono. La primera se centra en detener más daño climático causado por las emisiones de dióxido de carbono. La segunda se ocupa de incrementar la eficiencia energética para que podamos reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles. La tercera, que también es la más ambiciosa de las tres, intenta revertir el daño que ya ha ocurrido. 

En cuanto a soluciones específicas, han surgido muchas ideas. Los científicos han propuesto cultivar plantas o algas marinas que puedan absorber CO₂ de la atmósfera mientras crecen, sirviendo simultáneamente como fuente de energía renovable. Experimentos más revolucionarios e innovadores incluyen casos como un nuevo polímero que puede recolectar energía solar. Estos polímeros pueden luego aplicarse a textiles para que nuestra ropa funcione también como fuente verde y móvil de energía. 

A lo largo de los años, se han desarrollado muchas aplicaciones y soluciones atractivas en el área de reversión de daños. Por ejemplo, los científicos están trabajando con concreto a base de carbono que libera CO₂ del escape industrial hacia Caliza sintética, un ingrediente clave del concreto. En este sentido, debemos recordar que la producción de concreto representa entre el 4 % y el 8 % de las emisiones mundiales de CO₂. 

También se está trabajando en el desarrollo de cultivos que comen carbono, fertilizantes que secuestran carbono y mucho más. 

Con todas estas innovaciones, debemos asegurar una reducción neta del 55 % o más por debajo de los niveles de 1990 para 2030 y un objetivo de neutralidad climática para 2050. Aunque queda mucho por hacer en la transición de combustibles fósiles a energía limpia y renovable, la cooperación global también debe ser eficaz para detener la deforestación, usar la tierra de manera sostenible, y restaurar la naturaleza. 

Los esfuerzos sostenidos eventualmente nos ayudarán a equilibrar el volumen de gases de efecto invernadero liberados a la atmósfera con la captura y almacenamiento de estos gases en nuestros bosques, océanos, y suelos.