El ciclo del carbono: ¿cómo podemos reducir el dióxido de carbono en la atmósfera?

Dec 11, 2023

La vida tal como la conocemos no existiría sin el carbono, que es un componente esencial de moléculas complejas, como el ADN, las proteínas y los carbohidratos. El carbono es el cuarto elemento más abundante en el universo, según el Observatorio de la Tierra de la NASA. La mayor parte del carbono de la Tierra se almacena en las rocas. El resto está presente en la atmósfera, el océano, los seres vivos, el suelo y los combustibles fósiles. El ciclo del carbono, que incluye componentes rápidos y lentos, describe cómo el carbono se mueve naturalmente a través de estos diferentes depósitos.

Desde el comienzo de la Revolución Industrial hace unos 150 años, los seres humanos han estado liberando carbono a la atmósfera a partir de combustibles fósiles, como el carbón, el petróleo y el gas natural. La energía de estas fuentes permitió la disponibilidad generalizada de productos manufacturados, automóviles, productos electrónicos y otras innovaciones que hacen posible la vida moderna. Sin embargo, el exceso de carbono ahora está alterando el clima y amenazando los ecosistemas que mantienen la vida en equilibrio. Así, la reducción de las emisiones de carbono se ha convertido en un objetivo internacional urgente.

El ciclo rápido del carbono es en gran medida el movimiento del carbono a través de las formas de vida en la Tierra. El dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera es absorbido por las plantas durante la fotosíntesis, que utiliza la energía del sol para combinar CO2 con agua (H2O) para producir azúcar (generalmente C6H12O6) y oxígeno (O2).

Los carbonos capturados a través de este proceso pueden incorporarse a una variedad aparentemente interminable de moléculas orgánicas complejas a medida que las plantas crecen y sustentan ecosistemas que incluyen animales, bacterias y hongos. En una reacción inversa a la original, las moléculas de azúcar se pueden descomponer para producir energía y CO2 durante la digestión, la descomposición o el fuego. Esto requiere la entrada de oxígeno y agua y permite que el CO2 se libere de nuevo al medio ambiente.

Los humanos están más familiarizados con el CO2 en la atmósfera, pero el CO2 también está presente en el océano. Las algas marinas microscópicas, llamadas fitoplancton, absorben este CO2 y usan la energía del sol para realizar la fotosíntesis. Estas algas forman la base de la cadena alimentaria marina y aportan el 50% del oxígeno de la atmósfera, según National Geographic.

La parte más rápida del ciclo lento del carbono es el océano. En la superficie del océano, el dióxido de carbono se intercambia con la atmósfera. A medida que los humanos han liberado más CO2 a la atmósfera, el océano ha absorbido más CO2.

Una vez en el océano, el dióxido de carbono reacciona con las moléculas de agua para liberar hidrógeno, lo que hace que el océano sea más ácido. El hidrógeno reacciona con el carbonato para producir iones de bicarbonato. El carbonato también es utilizado por organismos constructores de conchas, incluidos el fitoplancton, los corales, las ostras y las estrellas de mar, para construir sus conchas de carbonato de calcio. Más dióxido de carbono en la atmósfera ha llevado a menos carbonato en los océanos y conchas más frágiles.

A medida que los organismos marinos mueren, se hunden en el lecho marino. Con el tiempo, las capas de conchas y sedimentos se cementan para formar piedra caliza. El carbono atrapado en la piedra caliza se puede almacenar durante millones de años, como lo demuestran las conchas fósiles que se encuentran comúnmente en la piedra caliza. Alrededor del 80% de la roca que contiene carbono se produce de esta manera. El 20% restante proviene de organismos terrestres que se incrustaron en el lodo para formar esquisto, que es otro tipo de roca sedimentaria. Si las plantas muertas se acumulan más rápido de lo que pueden descomponerse, pueden convertirse en combustibles fósiles.

Con el tiempo geológico, estas rocas sedimentarias pueden quedar expuestas a la atmósfera o a la actividad volcánica, y su carbono puede regresar a la atmósfera. El dióxido de carbono en la atmósfera se combina con el agua para formar ácido carbónico, que es un ácido débil que cae en forma de lluvia y disuelve las rocas expuestas a través de un proceso llamado meteorización química. Esto libera iones, como el calcio necesario para formar capas de carbonato de calcio, y eventualmente conduce a que se deposite más carbono en el fondo del océano. Cuando la actividad volcánica hace que las rocas sedimentarias se derritan, forman minerales de silicato frescos y liberan dióxido de carbono a la atmósfera.

En la actualidad, los volcanes emiten entre 130 y 380 millones de toneladas métricas de dióxido de carbono al año. Al quemar combustibles fósiles, los humanos ahora emiten alrededor de 36 mil millones de toneladas métricas de dióxido de carbono por año, según Statista. La cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera es ahora mayor que en cualquier otro momento de los últimos 3,6 millones de años.

El dióxido de carbono es un gas de efecto invernadero. Cuando está presente en la atmósfera, absorbe el calor emitido por la Tierra y refleja parte de él de regreso a la Tierra. Sin gases de efecto invernadero como el vapor de agua, el CO2 y el metano, la Tierra estaría completamente congelada. Sin embargo, demasiado dióxido de carbono provoca un calentamiento excesivo. Desde 1880, las concentraciones de CO2 en la atmósfera han aumentado de 280 partes por millón a 387 partes por millón, y las temperaturas globales promedio han aumentado 0,8 grados Celsius (1,4 grados Fahrenheit).

Reducir las emisiones de carbono mediante el uso de energía de manera más eficiente y la transición a energía limpia y renovable siempre que sea posible es esencial para revertir este problema. También es importante proteger y restaurar las reservas naturales de carbono, como los bosques, el permafrost y las marismas. Sin embargo, algunos procesos industriales (p. ej., fundición de hierro y fabricación de cemento a partir de piedra caliza) liberarán carbono independientemente de la fuente de energía.

Por lo tanto, necesitamos formas de capturar el dióxido de carbono de la atmósfera o del punto de emisión y almacenarlo de forma segura durante miles o millones de años.

Según Chemical and Engineering News, las tecnologías de captura de carbono existentes funcionan pero son prohibitivamente costosas en todos los entornos, excepto en unos pocos. La captura de carbono es esencialmente un problema de separación de gases, que consume más energía a medida que el CO2 se vuelve más diluido. La "fruta madura" incluye plantas de hierro y acero, que emiten corrientes con 15% a 80% de CO2. Las plantas de energía de carbón y gas natural son más desafiantes, ya que producen la mayor parte de las emisiones de gas y emiten corrientes de gas con menos del 15% de CO2. El mayor desafío de todos es el aire ambiente, que tiene una concentración de CO2 de alrededor del 0,041 %.

Las tecnologías existentes incluyen el uso de filtros, membranas o disolventes que absorben CO2 mientras permiten el paso de otras moléculas. Estos procesos a menudo requieren calor para empujar el gas a través del filtro para eliminar el CO2 purificado para que pueda almacenarse o para actualizar el sistema para que pueda reutilizarse. Una opción prometedora es combinar estos requisitos de energía con fuentes de energía limpia o calor que, de otro modo, se desperdiciaría.

Según el grupo de expertos en políticas ambientales Center for Climate and Energy Solutions, las tecnologías de captura de carbono existentes pueden capturar más del 90% de las emisiones de CO2 de las centrales eléctricas y las instalaciones industriales. Las formaciones geológicas que se utilizan o se consideran para el almacenamiento de CO2 incluyen depósitos antiguos de petróleo y gas, acuíferos salinos, formaciones de basalto y cuencas de esquisto.

Casi todo el CO2 capturado hasta la fecha se ha utilizado en la "recuperación mejorada de petróleo", donde el CO2 se inyecta en campos petroleros en declive para aumentar la producción de petróleo. Esto parecería negar los beneficios de la captura de carbono y trabajar en contra del objetivo de la transición a la energía renovable. Sin embargo, las compañías de petróleo y gas han sido las primeras en adoptar la tecnología de captura de carbono y tienen presupuestos enormes, los cuales son esenciales para mejorar rápidamente la tecnología para lograr emisiones netas de carbono cero.

¿Te interesa la ciencia y la innovación? Nosotros también. Consulte las oportunidades profesionales de Northrop Grumman para ver cómo puede participar en este fascinante momento de descubrimiento.