El metano es un gas de efecto invernadero mucho más potente que el dióxido de carbono.
Investigadores del MIT han ideado un método prometedor para controlar las emisiones de metano y eliminarlo del aire.
La técnica utiliza un tipo de arcilla barato y abundante llamado zeolita.
Este material es tan barato que actualmente se utiliza para fabricar arena para gatos.
El metano es un gas de efecto invernadero mucho más potente que el dióxido de carbono, y tiene un efecto pronunciado durante las dos primeras décadas de su presencia en la atmósfera. En las recientes negociaciones internacionales sobre el clima celebradas en Glasgow, la reducción de las emisiones de metano se identificó como una prioridad importante en los esfuerzos por frenar rápidamente el cambio climático global.
Ahora, un equipo de investigadores del MIT ha ideado un método prometedor para controlar las emisiones de metano y eliminarlo del aire mediante un tipo de arcilla barato y abundante llamado zeolita. Los resultados se describen en la revista ACS Environment Au, en un artículo de la estudiante de doctorado Rebecca Brenneis, la profesora asociada Desiree Plata y otras dos personas.
Aunque muchas personas relacionan el metano atmosférico con la perforación y la fracturación hidráulica para extraer petróleo y gas natural, esas fuentes solo representan alrededor del 18 % de las emisiones mundiales de metano, señala Plata. La gran mayoría del metano emitido proviene de fuentes como la agricultura de tala y quema, la ganadería lechera, la minería del carbón y de minerales, los humedales y el deshielo del permafrost. «Gran parte del metano que llega a la atmósfera procede de fuentes dispersas y difusas, así que empezamos a pensar cómo se podría retirar de la atmósfera», afirma.
La respuesta que encontraron los investigadores era algo baratísimo: de hecho, un tipo especial de «tierra», o arcilla. Utilizaron arcillas de zeolita, un material tan barato que actualmente se usa para fabricar arena para gatos. El equipo descubrió que tratar la zeolita con una pequeña cantidad de cobre hace que el material sea muy eficaz para absorber metano del aire, incluso en concentraciones extremadamente bajas.
El concepto del sistema es sencillo, aunque queda mucho trabajo de ingeniería por hacer. En sus pruebas de laboratorio, se colocaron partículas diminutas del material de zeolita enriquecido con cobre, similar a la arena para gatos, dentro de un tubo de reacción, que luego se calentó desde el exterior mientras por él circulaba una corriente de gas con niveles de metano que iban desde apenas 2 partes por millón hasta una concentración del 2 %. Ese intervalo abarca todos los niveles que podrían encontrarse en la atmósfera, incluso los inferiores al límite de inflamabilidad, que no pueden quemarse directamente ni eliminarse mediante antorcha.
El proceso tiene varias ventajas frente a otros métodos para eliminar el metano del aire, señala Plata. Otros métodos suelen emplear catalizadores caros, como el platino o el paladio; requieren temperaturas altas, de al menos 600 grados Celsius, y ciclos complejos entre corrientes ricas en metano y corrientes ricas en oxígeno. Esto hace que los dispositivos sean más complicados y arriesgados, ya que el metano y el oxígeno son muy combustibles tanto por separado como en combinación.
«Los 600 grados a los que funcionan estos reactores hacen que sea casi peligroso estar cerca del metano», así como del oxígeno puro, afirma Brenneis. «Resuelven el problema creando una situación en la que se va a producir una explosión». Las altas temperaturas de funcionamiento también generan otras complicaciones de ingeniería. No es de extrañar que estos sistemas apenas se hayan utilizado.
En cuanto al nuevo proceso, «creo que todavía nos sorprende lo bien que funciona», afirma Plata, profesora asociada Gilbert W. Winslow de Ingeniería Civil y Ambiental. El proceso parece alcanzar su máxima eficacia a unos 300 grados Celsius, lo que requiere mucha menos energía para calentar que otros procesos de captura de metano. También puede funcionar con concentraciones de metano inferiores a las que admiten otros métodos, incluso con fracciones pequeñas del 1 %, que la mayoría de los métodos no pueden eliminar, y lo hace en aire en lugar de oxígeno puro, una gran ventaja para su aplicación en el mundo real.
El método convierte el metano en dióxido de carbono. Esto podría parecer algo malo, dados los esfuerzos mundiales por combatir las emisiones de dióxido de carbono. «Mucha gente oye “dióxido de carbono” y entra en pánico; dice “eso es malo”», afirma Plata. Pero señala que el dióxido de carbono tiene un impacto mucho menor en la atmósfera que el metano, que es unas 80 veces más potente como gas de efecto invernadero durante los primeros 20 años y unas 25 veces más potente durante el primer siglo. Este efecto se debe a que el metano se transforma de forma natural en dióxido de carbono con el tiempo en la atmósfera. Al acelerar ese proceso, este método reduciría drásticamente el impacto climático a corto plazo, afirma. Además, incluso convertir la mitad del metano atmosférico en dióxido de carbono aumentaría los niveles de este último en menos de 1 parte por millón (alrededor del 0,2 % del dióxido de carbono que hay hoy en la atmósfera), a la vez que evitaría aproximadamente el 16 % del calentamiento radiativo total.
El equipo concluyó que la ubicación ideal para estos sistemas serían los lugares con una fuente de metano relativamente concentrada, como los establos lecheros y las minas de carbón. Estos lugares suelen contar ya con potentes sistemas de ventilación, pues la acumulación de metano puede entrañar riesgos de incendio, para la salud y de explosión. Para resolver los detalles de ingeniería pendientes, el equipo acaba de recibir una subvención de 2 millones de dólares del Departamento de Energía de Estados Unidos para seguir desarrollando equipos específicos que eliminen el metano en este tipo de lugares.
«La ventaja clave del aire de las minas es que movemos grandes cantidades», afirma. «Hay que introducir aire fresco para que los mineros puedan respirar y reducir el riesgo de explosiones por bolsas con concentraciones elevadas de metano. Por eso, los volúmenes de aire que se mueven en las minas son enormes». La concentración de metano es demasiado baja para inflamarse, pero se encuentra en el rango óptimo de los catalizadores, señala.
Adaptar la tecnología a lugares específicos debería ser relativamente sencillo. El montaje de laboratorio que el equipo utilizó en sus pruebas constaba de «solo unos pocos componentes, y la tecnología que se instalaría en un establo también podría ser bastante sencilla», afirma Plata. Sin embargo, grandes volúmenes de gas no atraviesan la arcilla con facilidad, por lo que la siguiente fase de la investigación se centrará en maneras de estructurar el material arcilloso en una configuración jerárquica a varias escalas que facilite el flujo de aire.
«Necesitamos nuevas tecnologías para oxidar el metano en concentraciones inferiores a las utilizadas en las antorchas y los oxidadores térmicos», afirma Rob Jackson, profesor de ciencias del sistema terrestre en la Universidad de Stanford, quien no participó en este trabajo. «Hoy no existe una tecnología rentable para oxidar metano en concentraciones inferiores a unas 2.000 partes por millón».
Jackson añade: «Quedan muchas preguntas por resolver para ampliar esta tecnología y otros trabajos similares: ¿Con qué rapidez se ensuciará el catalizador en condiciones reales? ¿Podemos acercar las temperaturas necesarias a las ambientales? ¿Hasta qué punto podrán ampliarse estas tecnologías al procesar grandes volúmenes de aire?».
Una posible gran ventaja del nuevo sistema es que el proceso químico implicado libera calor. Al oxidar catalíticamente el metano, el proceso es, en la práctica, una forma de combustión sin llama. Si la concentración de metano supera el 0,5 %, el calor liberado supera el utilizado para iniciar el proceso, y ese calor podría emplearse para generar electricidad.
Los cálculos del equipo muestran que «en las minas de carbón se podría generar potencialmente suficiente calor para producir electricidad a escala de central eléctrica, lo cual es notable porque significa que el dispositivo podría amortizarse», afirma Plata. «La mayoría de las soluciones de captura del aire cuestan mucho y nunca serían rentables. Nuestra tecnología podría ser algún día una excepción».
Con el dinero de la nueva subvención, afirma, «en los próximos 18 meses nos proponemos demostrar en el terreno que el concepto funciona», donde las condiciones pueden ser más difíciles que en el laboratorio. A largo plazo, esperan fabricar dispositivos compatibles con los sistemas de ventilación existentes que puedan instalarse como un componente adicional. «La aplicación para la minería del carbón debería estar lista para que, dentro de tres años, se pueda entregar a un fabricante o usuario comercial», afirma Plata.
Además de Plata y Brenneis, el equipo incluía a Eric Johnson, estudiante de doctorado de la Universidad de Yale, y a Wenbo Shi, antiguo investigador posdoctoral del MIT. El trabajo recibió el apoyo de Gerstner Philanthropies, Vanguard Charitable Trust, el programa Betty Moore Inventor Fellows y el Comité de Apoyo a la Investigación del MIT.
