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Hay varios materiales capaces de capturar carbono, uno de ellos se estructura de forma parecida a la hierba que se utiliza para la fertilización de invernaderos.

Cambio Climático

Cómo paliar el cambio climático con 'acordeones' que aspiran CO2

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Klaus Lackner lleva dos décadas trabajando en estas extrañas máquinas para capturar carbono. Aunque al principio nadie apoyaba su enfoque, sus recientes avances y la falta de voluntad para reducir las emisiones la sitúan como una de las pocas opciones para luchar contra el calentamiento global

  • por James Temple | traducido por Ana Milutinovic
  • 15 Marzo, 2019

Nadie diría que el gran contenedor metálico que hay en el laboratorio de Klaus Lackner puede salvar el planeta. Se parece mucho a un contenedor de basura y, de alguna manera, lo es. Mientras Lackner lo mira, con las manos en los bolsillos de su pantalón caqui ajustado, la máquina comienza a transformarse. Tres marcos de metal con forma de colchón se elevan desde las entrañas del contenedor, desplegándose como un acordeón mientras se estiran hacia el techo.

Cada marco contiene cientos de tiras de polímero blancas llenas de resina que se unen con moléculas del dióxido de carbono. Las tiras forman una especie de vela, diseñada para atrapar los gases de efecto invernadero del aire mientras el viento sopla a través del aparato.

Este reportaje analiza en profundidad una de nuestras 10 Tecnología Emergentes de 2019: Trampas para el dióxido de carbono

Lo más importante es que ese mismo material libera el dióxido de carbono cuando se moja. Para que esto suceda, el dispositivo de Lackner retrae sus marcos en el contenedor, que luego se llena con agua. A continuación, se puede recoger el gas y utilizarlo para otros fines, y el proceso puede comenzar de nuevo.

Lackner y sus colegas del Centro para las Emisiones Negativas del Carbono de la Universidad Estatal de Arizona (EE.UU.) han construido una máquina simple con un gran propósito: capturar y reciclar el dióxido de carbono para aliviar los efectos del cambio climático. El investigador se imagina bosques repletos de sus máquinas que se extienden por los campos, aspirando miles de millones de toneladas del CO2 de la atmósfera.

A sus 66 años, Lackner, lleva dos décadas trabajando en este problema. En 1999, cuando era físico de partículas en el Laboratorio Nacional de Los Álamos (EE. UU.), escribió el primer artículo científico que exploraba la posibilidad de combatir el cambio climático extrayendo el dióxido de carbono del aire. Pero su voz estuvo sola durante años. Sin embargo, ahora que el mundo parece incapaz de reducir las emisiones lo suficientemente rápido para evitar el calentamiento catastrófico, cada vez más personas apoyan su enfoque.

El trabajo de Lackner ha inspirado a varias start-ups de captura directa de aire, incluida la suya propia, y de un creciente cuerpo de literatura científica. El profesor de la Universidad de Harvard (EE. UU.) David Keith, que cofundó otra de esas start-ups, Carbon Engineering, afirma: "Es difícil pensar en otro campo que proceda tanto del pensamiento y de la postura de una sola persona. Klaus fue fundamental a la hora de argumentar que [la captura directa de aire] podría desarrollarse a una escala relevante para paliar el problema del cambio climático y el carbono".

Nadie, ni siquiera Lackner, está seguro de si el sistema funcionará. La química es bastante fácil. Pero, ¿de verdad podremos construir suficientes máquinas de eliminación de carbono para mitigar el cambio climático? ¿Quién las pagará? ¿Y qué vamos a hacer con todo el dióxido de carbono que recojan?

El último prototipo se despliega para agarrar el carbono del aire. Klaus Lackner fue pionero en el campo de la captura de aire directo.

Foto: El último prototipo se despliega para captar el CO2 del aire. Klaus Lackner fue pionero en el campo de la captura directa de aire. Créditos: Spencer Lowell.

Lackner reconoce las dudas sin resolver pero cree que cuanto más barato resulte el proceso, más factible será. El científico detalla: "Si yo digo: 'Podríamos resolver el problema del CO2 por 1.000 euros por tonelada', la gente diría: 'El cambio climático es una estafa'. Pero si costara cinco euros por tonelada, entonces la gente diría: '¿Por qué no lo hemos hecho ya?'"

Nos quedamos sin opciones

La concentración del dióxido de carbono en la atmósfera  es de unas 410 partes por millón. Esta cantidad ya ha hecho aumentar las temperaturas globales en casi 1 °C por encima de los niveles preindustriales y ha intensificado las sequías, los incendios forestales y otros desastres naturales. Esos peligros solo se agravarán a medida que las emisiones sigan aumentando.

Algunos críticos científicos consideraron que las estimaciones de Lackner no solo eran erróneas sino peligrosas. En 2011, un par de estudios críticos estuvieron a punto de convertirse en la sentencia de muerte de la tecnología. 

El último informe del Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático de las Naciones Unidas indica que no hay manera de limitar o impedir un calentamiento global de 1,5 °C si no se eliminan entre 100.000 millones y un billón de toneladas métricas del dióxido de carbono para finales de este siglo. Calculando por lo alto, eso significa revertir casi tres décadas de emisiones globales al ritmo actual.

Hay varias formas de extraer el dióxido de carbono de la atmósfera. Se podrían plantar muchos árboles, restaurar pastizales y otras áreas que naturalmente contienen carbono en los suelos, y usar plantas que absorben el dióxido de carbono y otras formas de biomasa como fuente de combustible, pero que capturan las emisiones cuando se usan (un proceso conocido como bioenergía con captura y almacenamiento de carbono).

Pero un informe de las Academias Nacionales de EE. UU. de octubre del año pasado encontró que estos métodos por sí solos probablemente no serían suficientes para evitar el calentamiento de 2 °C, al menos, si queríamos seguir comiendo. Esto se debe a que la cantidad de tierra requerida para capturar esa cantidad de dióxido de carbono se liberaría a costa de una enorme cantidad de producción agrícola de alimentos.

Vista en primer plano de los materiales de captura de carbono en una configuración similar a la hierba, un diseño anterior que libera dióxido de carbono cuando se coloca en un invernadero.

Foto: Vista detallada de los materiales de captura del CO2 en una configuración similar a la hierba, un diseño anterior que libera el dióxido de carbono cuando se coloca en un invernadero. Créditos: Spencer Lowell.

Lo bueno de los dispositivos de captura directa de aire, como el que está desarrollando Lackner, es que pueden absorber la misma cantidad de dióxido de carbono en mucho menos terreno. El gran problema es que sigue siendo mucho más barato plantar un árbol. Al coste actual de alrededor de 535 euros por tonelada, la captura de un billón de toneladas del gas costaría unos 530 billones de euros, más de siete veces el PIB anual mundial.

En un artículo del verano pasado, Keith calculó que el sistema de captura directa de aire que él había ayudado a diseñar podría llegar a costar menos de 90 euros la tonelada a plena capacidad. Carbon Engineering, con sede en la Columbia Británica (Canadá), está en el proceso de expandir su fábrica piloto para aumentar la producción de combustibles sintéticos, que se crean combinando el dióxido de carbono capturado con hidrógeno. Estos, a su vez, se convertirán en formas de diesel y combustible consideradas neutras en carbono, ya que no requieren desenterrar combustibles fósiles adicionales.

Si el método de Keith logra capturar el dióxido de carbono a ese precio, estos combustibles sintéticos para aviones podrían resultar rentables en mercados apoyados por políticas públicas, como es el caso de California (EE.UU.), con sus normas de combustible renovable, y la Unión Europea, bajo su actualizada Directiva sobre las Energías Renovables. Se espera que este tipo de oportunidades ayuden a ampliar la tecnología, a reducir los costes y a abrir mercados adicionales.

Otras start-ups, como Climeworks con sede en Suiza y Global Thermostat de EE.UU., calculan que pueden conseguir costes incluso más bajos. Están explorando mercados como la industria de los refrescos y los invernaderos, que utilizan el aire enriquecido con el dióxido de carbono para fertilizar las plantas.

Pero, vender el dióxido de carbono no es fácil. Según el estudio de las Academias Nacionales de EE. UU., la demanda global es relativamente pequeña: del orden de unos pocos cientos de millones de toneladas anuales, una pequeña parte de las decenas de miles de millones que deberíamos eliminar anualmente. Además, la mayor parte de esa demanda es para la recuperación mejorada del petróleo, una técnica que empuja el dióxido de carbono comprimido en pozos para liberar las últimas gotas de aceite, lo que solo empeora el problema climático.

Una cuestión crítica para las start-ups de captura de CO2 es cuánto podría crecer el mercado del dióxido de carbono. Docenas de empresas están explorando nuevas formas de ponerlo en práctica. Opus12 utiliza el dióxido de carbono para producir químicos y polímeros, y CarbonCure trabaja con más de 100 fabricantes de hormigón para convertir el dióxido de carbono en el carbonato de calcio que queda atrapado en el hormigón mientras se fragua.

Un informe de 2016 de Global CO2 Initiative estimó que el mercado de productos que podrían usar el dióxido de carbono, incluidos los combustibles líquidos, polímeros, metanol y hormigón, podría superar los 710.000 millones de euros hasta 2030. Esas industrias podrían utilizar unas 7.000 millones de toneladas métricas por año, aproximadamente el 15 % de las emisiones globales anuales.

Pero, estas proyecciones son demasiado optimistas. E incluso si logramos una transformación tan vasta de múltiples sectores, todavía quedarán enormes cantidades de dióxido de carbono capturado que deberán almacenarse permanentemente bajo tierra.

Los cientos de tiras de polímeros forman una especie de vela que atrapa las moléculas de dióxido de carbono a medida que el viento sopla aire a través del dispositivo. El intruso mira a través de un modelo anterior de un dispositivo de captura de aire, con los materiales que atrapan el carbono en forma de rejilla.

Foto: Centenares de tiras de polímero forman una especie de vela que atrapa las moléculas de dióxido de carbono mientras el viento sopla aire a través del dispositivo. Lackner mira a través de un modelo temprano de un dispositivo de captura de aire, con los materiales que atrapan el CO2 en forma de rejilla. Créditos: Spencer Lowell.

Pero para que todo esto suceda, la sociedad tendrá que rascarse el bolsillo, algo que algunos consideran poco probable. Capturar el dióxido de carbono del aire, que significa extraer una sola molécula de entre otras 2.500 más, es una de las formas más costosas y de mayor consumo enérgico que podríamos imaginar para luchar contra el cambio climático. "La captura directa de aire resulta más cara que evitar las emisiones, pero en este momento ni siquiera estamos dispuestos a gastar el dinero adicional para hacer eso", lamenta el científico del clima del Instituto Carnegie (EE. UU.) Ken Caldeira. El experto añade: "Dicho esto, la idea de que conseguiremos emisiones negativas de toda la civilización a través de la captura de aire me parece una fantasía".

Robots que fabrican robots

En una noche de verano en 1992, mientras Lackner trabajaba en el Laboratorio Nacional de Los Álamos, él y otro físico de partículas estaban tomando una cerveza mientras se quejaban de la falta de grandes y audaces ideas en la ciencia. Una o dos cañas más tarde, se les ocurrió una: ¿Qué sería posible si tuviéramos máquinas capaces de crear otras máquinas? ¿De qué tamaño y con qué rapidez se fabricarían las cosas? Se dieron cuenta de que la única forma en la que funcionaría ese sistema sería diseñando robots que desenterraran todas sus materias primas de la tierra, construyeran paneles solares para alimentar el proceso e hicieran más copias de sí mismos.

A la mañana siguiente, Lackner y su amigo, Christopher Wendt, decidieron que valía la pena explorar la idea. Finalmente, publicaron un artículo en el que calculaban y exploraban varias aplicaciones, entre ellas los robots capaces de autorreplicarse y de capturar grandes cantidades de dióxido de carbono para convertirlo en materiales rocosos carbonatados.

"Mi argumento siempre ha sido que tenemos que ser pasivos. Queremos ser un árbol en el viento y que el CO2 nos llegue a nosotros", afirma Lackner.

La armada de robots, los paneles solares, las máquinas de conversión de CO2 y las pilas de roca crecerían exponencialmente, alcanzando el "tamaño de un continente en menos de una década", concluía el artículo. La conversión del 20 % del dióxido de carbono de la atmósfera generaría una capa de roca de 50 centímetros de espesor que cubrirá un millón de kilómetros cuadrado, un territorio del tamaño de Egipto.

El problema es, por supuesto, que las máquinas capaces de autorreplicarse no existen. Lackner descartó esa parte del plan y se centró brevemente en la energía solar como sustituto de los combustibles fósiles. Pero cuanto más estudiaba el problema, más creía que las fuentes renovables tendrían dificultades para competir en precio, abundancia y densidad energética contra el carbón, el petróleo y la gasolina.

El científico recuerda: "Esto me convenció de que el poder basado en combustibles fósiles no iba a ser tan fácil de derrumbar". Pero pensó que si las tecnologías de extracción de carbono fueran lo suficientemente baratas, se podría "obligar a los proveedores de combustibles fósiles a limpiar después de su trabajo".

Unos años más tarde, Lackner publicó un artículo titulado Extracción del dióxido de carbono del aire: ¿es una opción? En él, defendía que era técnicamente factible y podría costar tan solo unos 13 euros por tonelada. (Ahora cree que el precio mínimo está entre 27 euros y 44,50 euros por tonelada).

En 2001, Lackner llegó a la Universidad de Columbia, donde cofundó Global Research Technologies, el primer intento para comercializar la captura directa de aire. El fundador de la empresa de ropa y muebles Lands 'End, Gary Comer, le más de siete millones de euros que, según Lackner es "capital de aventura, no capital de riesgo".

La compañía construyó un pequeño prototipo pero pronto se quedó sin dinero. Un grupo de inversores compró una participación mayoritaria, trasladó la empresa y le cambió el nombre a Kilimanjaro Energy. Lackner era asesor y miembro de la junta. Pero cerró silenciosamente sus puertas después de no lograr recaudar más dinero.

A pesar de estos fracasos, Lackner siguió intentando averiguar cómo hacer la captura de aire de manera económica y eficiente. Ha publicado más de 100 artículos científicos y editoriales sobre el tema, y ​​ha solicitado más de dos docenas de patentes.

Sin embargo, algunos críticos científicos consideraron que las estimaciones de Lackner no solo eran erróneas sino peligrosas. Temían que el hecho de afirmar que la captura directa de aire se podía hacer de forma barata y fácilmente reduciría la presión para reducir las emisiones. En 2011, un par de estudios concluyeron que la tecnología 534 euros y 890 euros por tonelada.

El investigador principal de la Iniciativa de Energía del MIT, Howard Herzog, quien fue coautor de uno de los estudios, dio otro paso al sugerir que "algunos proveedores" de la tecnología eran "vendedores charlatanes". En una entrevista el año pasado, Herzog me dijo que se refería principalmente a Lackner. "Él estaba ahí fuera", afirmó.

Muchos vieron las conclusiones de los dos artículos como una sentencia de muerte para la captura directa del aire. Lackner se mantuvo firme y después de la publicación del primero de los estudios, le dijo a la revista Nature: "Demostraron que una forma específica de capturar el dióxido de carbono del aire era cara". Si se tratara de pingüinos, podríamos llegar a la conclusión de que las aves no pueden volar".

En 2014, él y el cofundador de Global Research Technologies, Allen Wright, crearon el Centro para Emisiones Negativas de Carbono en la Universidad Estatal de Arizona, donde han continuado intentando que su polluelo aprenda a volar.

Bosques artificiales

En el corazón del diseño del Centro de Emisiones Negativas de Carbono hay un tipo particular de resina de intercambio iónico disponible comercialmente. A medida que el viento lleva el dióxido de carbono del aire a través de esas tiras de polímero, los iones cargados negativamente se unen a las moléculas de gas y las convierten en bicarbonato, el principal compuesto del bicarbonato de sodio y los antiácidos.

Luego, la máquina se retrae, arrastrando esas tiras saturadas de vuelta al contenedor y bombeando para llenarlo de agua. El agua comienza a convertir las moléculas de bicarbonato en iones de carbonato. Cuando el agua se drena, esos compuestos se vuelven inestables y se convierten nuevamente en dióxido de carbono en el aire disponible en el interior del contenedor. Ese aire rico en dióxido de carbono se puede aspirar a través de un tubo y guardar en un conjunto adyacente de tanques.

Dado que el dióxido de carbono se diluye relativamente en el aire, la mayoría de los demás métodos de captura directa emplean grandes ventiladores para soplar el aire sobre los materiales de unión para atrapar más gas. Luego emplean calor para impulsar las reacciones posteriores que liberan el dióxido de carbono. Ambos pasos usan más energía. En cambio, según Lackner, su técnica y la de Wright solo requiere un poco de electricidad para extender y retraer la máquina, para bombear el agua y aspirar el aire. El científico sostiene: "Mi argumento siempre ha sido que tenemos que ser pasivos. Queremos ser un árbol en el viento y que el CO2 nos llegue a nosotros".

Pero este método tiene grandes inconvenientes. Solo funciona cuando sopla el viento y únicamente tiene sentido en áreas secas, ya que la humedad permite que el dióxido de carbono se escape. Además, la concentración del carbono capturado en el gas resultante es inferior al 5 %, en comparación con alrededor del 98 % de una instalación de Carbon Engineering o Climeworks.

Una cuestión crítica para las start-ups de captura de CO2 es cuánto podría crecer el mercado del dióxido de carbono. Docenas de empresas están explorando nuevas formas de ponerlo en práctica.

Ese nivel tan bajo está bien para fertilizar plantas en invernaderos. Pero ese es un mercado pequeño, y Lackner tiene planes mayores. Se imagina miles de estas máquinas que extraen el dióxido de carbono del cielo en alguna parte seca y caliente del mundo, mientras que los paneles solares adyacentes alimentan el proceso de electrólisis que extrae el hidrógeno del agua. El dióxido de carbono y el hidrógeno podrían combinarse in situ para producir miles de barriles diarios de combustible sintético, que se podría vender para calefacción o transporte, o usarse para alimentar la red eléctrica cuando se utilizan las energías renovables como la solar y la eólica.

Pero este idílico plan plantea varios desafíos. La electrólisis sigue siendo muy cara. Y sería necesario comprimir el dióxido de carbono a la concentración adecuada mientras se elimina el vapor de agua, el nitrógeno y el oxígeno.

Aunque técnicamente es posible, el enfoque podría aumentar sustancialmente los costes y las necesidades de energía. La profesora del Instituto Politécnico de Worcester y coautora del informe de las Academias Nacional de EE.UU. Jennifer Wilcox opina: "Se trata de una parte grande e importante que él está pasando por alto un poco".

Algunos creen que los puntos fuertes de Lackner como teórico y visionario en general no le han servido mucho para traducir esas ideas en los avances necesarios en la ciencia de los materiales y la química. En particular, el proyecto del Centro para las Emisiones Negativas de Carbono está muy por detrás de Carbon Engineering, Climeworks y Global Thermostat, que están acumulando capital, contratando personal y construyendo pilotos de demostración e incluso algunas instalaciones a escala comercial.

Pero Lackner sigue confiando en que su enfoque será más barato que los de la competencia. Afirma: "Puedo exponerlo por cada proceso de unidad, y en términos de los principios básicos, en cada paso somos un poco más baratos".

El peligro de no conseguirlo

¿Cómo se siente el propio Lackner sobre las perspectivas de su tecnología más de dos décadas después? La respuesta no es fácil, pero  Lackner no cree en las respuestas simples. Durante un paseo por el campus de la Universidad de Tempe, afirma que sigue confiando en que la captura directa de aire es factible y cree que podría ser mucho menos costosa si alcanza una escala comercial. El científico subraya: "Pero soy menos optimista sobre si tenemos la voluntad política de traspasar ese umbral".

Dados los altos costos iniciales y los mercados limitados, cree que esta tecnología necesitará una gran cantidad de fondos gubernamentales o regulaciones estrictas para su adopción generalizada, además de un mayor apoyo gubernamental para cubrir el costo de capturar y enterrar la mayor parte del dióxido de carbono que no se puede usar. Piensa que tendremos que tratar el dióxido de carbono como las aguas residuales, lo que obligará a los consumidores o a las empresas a pagar por su recogida y eliminación, ya sea en impuestos o tasas.

Pero después de varias décadas de relativamente poca acción política al cambio climático y la feroz resistencia pública a los impuestos sobre el carbono, Lackner teme que el mundo no vaya a cambiar de opinión hasta que el sufrimiento de las catástrofes climáticas se vuelva demasiado horrible para ignorarlo.

De lo que está seguro, después de pasar más tiempo que nadie desconcertado sobre la eliminación de carbono, es que lo vamos a necesitar. Lackner concluye: "Soy el primero en admitir que la captura de aire no está probada, y mucho menos a escala. Pero tendremos serios problemas si no logramos resolverlo".

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