Investigadores de la Universidad de Stanford han desarrollado un método práctico y de bajo costo para eliminar permanentemente el dióxido de carbono (CO2) atmosférico, principal responsable del calentamiento global y el cambio climático.
Científicos de Stanford descubren una forma económica de capturar carbono usando rocas comunes
El nuevo proceso emplea calor para transformar minerales comunes en materiales que absorben espontáneamente CO2 del aire y lo secuestran de forma permanente. Estos materiales reactivos pueden producirse en hornos convencionales, similares a los utilizados en la fabricación de cemento.
«La Tierra posee una fuente inagotable de minerales capaces de eliminar CO2 de la atmósfera, pero su reacción es demasiado lenta para contrarrestar las emisiones humanas de gases de efecto invernadero«, explicó Matthew Kanan, profesor de química en la Escuela de Humanidades y Ciencias de Stanford y autor principal del estudio publicado el 19 de febrero en Nature. «Nuestro trabajo resuelve este problema de una manera que creemos es escalable», añadió.
Intemperismo mejorado
En la naturaleza, minerales comunes llamados silicatos reaccionan con agua y CO2 atmosférico para formar iones bicarbonato estables y minerales carbonatados sólidos, en un proceso conocido como intemperismo. Sin embargo, esta reacción puede tardar cientos o miles de años en completarse. Desde la década de 1990, los científicos han buscado formas de acelerar la absorción de CO2 por las rocas mediante técnicas de intemperismo mejorado.
Kanan y el becario postdoctoral de Stanford, Yuxuan Chen, desarrollaron y demostraron en su laboratorio un nuevo proceso para convertir silicatos de intemperismo lento en minerales mucho más reactivos que capturan y almacenan rápidamente el carbono atmosférico. Una subvención del Acelerador de Sostenibilidad de la Escuela Doerr de Sostenibilidad de Stanford está apoyando los esfuerzos para llevar la investigación a aplicaciones prácticas.
«Imaginamos una nueva química para activar los minerales de silicato inertes a través de una simple reacción de intercambio iónico«, dijo Chen, autor principal del estudio, quien desarrolló la técnica mientras obtenía su doctorado en química en el laboratorio de Kanan. «No esperábamos que funcionara tan bien como lo hace«, agregó.
Muchos expertos afirman que, para evitar un calentamiento global adicional, será necesario tanto reducir drásticamente el uso de combustibles fósiles como eliminar permanentemente miles de millones de toneladas de CO2 de la atmósfera. Sin embargo, las tecnologías de eliminación de carbono siguen siendo costosas, intensivas en energía o ambas cosas, y no se han probado a gran escala. Una de las tecnologías que ha recibido mucho interés e incluso inversiones en etapas tempranas recientemente es la captura directa de aire, que utiliza paneles de grandes ventiladores para dirigir el aire ambiente a través de procesos químicos u otros para eliminar el CO2.
«Nuestro proceso requeriría menos de la mitad de la energía utilizada por las principales tecnologías de captura directa de aire, y creemos que podemos ser muy competitivos en términos de costes«, señaló Kanan, quien también es miembro sénior del Instituto Precourt de Energía en la Escuela Doerr de Sostenibilidad de Stanford.
Carbonatación espontánea
El nuevo enfoque se inspiró en una técnica centenaria para fabricar cemento.
La producción de cemento comienza convirtiendo piedra caliza en óxido de calcio en un horno calentado a aproximadamente 1.400 grados Celsius. Luego, el óxido de calcio se mezcla con arena para producir un ingrediente clave en el cemento.
El equipo de Stanford utilizó un proceso similar en su horno de laboratorio, pero en lugar de arena, combinaron óxido de calcio con otro mineral que contiene iones de magnesio y silicato. Al calentarse, los dos minerales intercambiaron iones y se transformaron en óxido de magnesio y silicato de calcio, dos minerales alcalinos que reaccionan rápidamente con el CO2 ácido en el aire.
«El proceso actúa como un multiplicador«, explicó Kanan. «Tomas un mineral reactivo, el óxido de calcio, y un silicato de magnesio que es más o menos inerte, y generas dos minerales reactivos«.
Como prueba rápida de reactividad a temperatura ambiente, el silicato de calcio y el óxido de magnesio se expusieron a agua y CO2 puro. En dos horas, ambos materiales se transformaron completamente en nuevos minerales carbonatados con carbono del CO2 atrapado en su interior.
Para una prueba más realista, se expusieron muestras húmedas de silicato de calcio y óxido de magnesio directamente al aire, que tiene una concentración de CO2 mucho más baja que el CO2 puro de un tanque. En este experimento, el proceso de carbonatación tomó semanas o meses en ocurrir, aún miles de veces más rápido que el intemperismo natural.
El equipo de Stanford afirma que su enfoque puede utilizarse más allá del laboratorio para capturar CO2 a escala industrial.
«Puedes imaginar esparcir óxido de magnesio y silicato de calcio sobre grandes áreas de terreno para eliminar CO₂ del aire ambiente«, sugirió Kanan. «Una aplicación emocionante que estamos probando ahora es añadirlos al suelo agrícola. A medida que se intemperizan, los minerales se transforman en bicarbonatos que pueden moverse a través del suelo y terminar almacenados permanentemente en el océano«.
Kanan señaló que este enfoque podría tener beneficios adicionales para los agricultores, quienes típicamente añaden carbonato de calcio al suelo para aumentar el pH si es demasiado bajo, en un proceso llamado encalado.
«Agregar nuestro producto eliminaría la necesidad de encalado, ya que ambos componentes minerales son alcalinos«, explicó. «Además, a medida que el silicato de calcio se intemperiza, libera silicio al suelo en una forma que las plantas pueden absorber, lo que puede mejorar los rendimientos de los cultivos y su resiliencia. Idealmente, los agricultores pagarían por estos minerales porque son beneficiosos para la productividad agrícola y la salud del suelo, y como un bono, está la eliminación de carbono«.
Cimentando el futuro
El laboratorio de Kanan puede producir aproximadamente 15 kilogramos de material por semana. Pero capturar CO₂ a la escala necesaria para afectar significativamente las temperaturas globales requeriría una producción anual de millones de toneladas de óxido de magnesio y silicato de calcio.
«Cada año, se generan más de 400 millones de toneladas de residuos mineros con silicatos adecuados en todo el mundo, proporcionando una fuente potencialmente grande de materia prima«, indicó Chen. «Se estima que hay más de 100.000 gigatoneladas de reservas de olivino y serpentina en la Tierra, suficientes para eliminar permanentemente mucho más CO2 del que los humanos han emitido«. (Una gigatonelada equivale a 1.000 millones de toneladas métricas).
Después de tener en cuenta las emisiones asociadas con la quema de gas natural o biocombustible para alimentar los hornos, los investigadores estiman que cada tonelada de material reactivo podría eliminar una tonelada de dióxido de carbono de la atmósfera. Los científicos estiman que las emisiones globales de dióxido de carbono provenientes de combustibles fósiles superaron los 37.000 millones de toneladas métricas en 2024, lo que refuerza la urgencia de encontrar soluciones efectivas para su eliminación.
Para escalar este proceso de manera sostenible, es esencial desarrollar hornos que funcionen con electricidad en lugar de combustibles fósiles. En este sentido, Kanan colabora con Jonathan Fan, profesor asociado de ingeniería eléctrica en la Escuela de Ingeniería de Stanford, para diseñar hornos eléctricos de alta eficiencia que puedan integrarse en la producción industrial de estos minerales reactivos.
«La sociedad ya ha logrado producir miles de millones de toneladas de cemento al año, y los hornos de cemento funcionan durante décadas«, explicó Kanan. «Si aprovechamos ese conocimiento y diseño, hay una ruta clara para llevar este descubrimiento de laboratorio a una escala de eliminación de carbono significativa«.
Ventajas del nuevo método de captura de carbono
El enfoque desarrollado por el equipo de Stanford presenta una serie de ventajas en comparación con otras tecnologías de captura de carbono:
- Mayor eficiencia energética: Requiere menos de la mitad de la energía utilizada en las tecnologías líderes de captura directa de aire.
- Costos reducidos: El proceso es potencialmente más económico que otras alternativas de captura de CO₂.
- Uso de materiales abundantes: Se basa en minerales comunes, disponibles en grandes cantidades en la Tierra.
- Aplicaciones agrícolas: Puede mejorar la calidad del suelo y la productividad agrícola, además de capturar carbono.
- Escalabilidad industrial: Puede adaptarse a procesos ya establecidos en la producción de cemento y minería.
Desafíos y próximos pasos
A pesar de sus múltiples beneficios, este método de captura de carbono enfrenta desafíos que deben resolverse antes de su implementación a gran escala:
- Optimización del proceso de activación mineral para maximizar la captura de CO₂ con el menor consumo de energía posible.
- Desarrollo de hornos eléctricos eficientes que permitan reducir la huella de carbono de la producción de materiales reactivos.
- Evaluación del impacto ambiental y económico en distintos sectores industriales y agrícolas.
- Pruebas de campo a gran escala para verificar la efectividad del método en condiciones reales.
Los investigadores de Stanford están trabajando activamente en estas áreas, con la esperanza de que su tecnología pueda contribuir de manera significativa a la mitigación del cambio climático. Si se implementa a nivel global, este enfoque podría representar una solución viable y económicamente sostenible para la captura y almacenamiento permanente de carbono.
Hacia un futuro más sostenible
El cambio climático representa uno de los mayores desafíos de la humanidad, y la eliminación de dióxido de carbono de la atmósfera será una pieza clave en la lucha por limitar el calentamiento global. Mientras los países avanzan en la transición hacia energías renovables y reducen su dependencia de los combustibles fósiles, tecnologías como la desarrollada por el equipo de Stanford podrían desempeñar un papel crucial en la compensación de las emisiones históricas de CO2.
Aprovechar los recursos minerales del planeta de manera inteligente y sostenible podría marcar la diferencia en la lucha contra el cambio climático. Con más inversiones en investigación y desarrollo, este tipo de soluciones innovadoras pueden ayudar a alcanzar los objetivos de reducción de carbono y garantizar un futuro más sostenible para las próximas generaciones.
Vía stanford.edu
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