Alimentar las plantas con electricidad
Electroquímicos desarrollan una alternativa sostenible a los fertilizantes convencionales
Aunque todos los seres vivos necesitan nitrógeno para sobrevivir, no es tan fácil absorberlo. Las plantas, por ejemplo, pueden absorberlo en forma de sales de amoníaco, lo que convierte a estas sales en un componente clave de los fertilizantes. Hasta ahora, el amoníaco se producía principalmente a partir de recursos fósiles y energías no renovables. El electroquímico Alexander Opitz y su equipo están desarrollando ahora una alternativa sostenible.
¿Un fertilizante casero y respetuoso con el medio ambiente? El químico Alexander Opitz recibió financiación del programa 1000 Ideas de la FWF para su innovador proyecto.
© Matthäus Siebenhofer
La importancia del amoníaco (NH3) no suele ser tema de debate público, pero es una de las sustancias más producidas y más importantes para diversas aplicaciones. Cada año se producen en el mundo casi 150 millones de toneladas de amoníaco. El amoníaco se utiliza como refrigerante o en la producción de plásticos, pero la mayor parte se destina a la producción de fertilizantes sintéticos. Las plantas necesitan el nitrógeno que contienen estos fertilizantes para crecer y realizar la fotosíntesis. Por esta razón, el amoníaco se ha convertido en una parte indispensable de nuestra sociedad moderna. Mientras que uno de sus componentes -el nitrógeno- está presente en grandes cantidades en nuestra atmósfera como molécula de N2, la síntesis de amoníaco también requiere hidrógeno (H2) como material de partida. Actualmente, el hidrógeno se produce en su mayor parte con ayuda de recursos fósiles. Además, también se utilizan combustibles fósiles para la producción de amoníaco a partir de N2 y H2, que consume mucha energía. Alexander Opitz y su equipo de la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien) buscan desarrollar una alternativa sostenible en su proyecto "Alimentar plantas con electricidad".
"Empezamos este proyecto porque podemos aprovechar nuestra experiencia en electroquímica para desarrollar una nueva forma de producción de amoníaco que utilice energía renovable y materiales de base", explica Alexander Opitz. "Uno de los mayores retos es romper las moléculas de nitrógeno extremadamente estables de la atmósfera y combinarlas con átomos de hidrógeno para producir amoníaco".
El proyecto de investigación "Alimentar plantas con electricidad", que se desarrollará entre 2021 y 2024, está financiado por la FWF en el marco de su Programa 1000 Ideas para investigaciones especialmente innovadoras. El objetivo del proyecto es desarrollar un nuevo proceso electroquímico para la producción de amoníaco basado en energía y materias primas sostenibles.
El amoníaco (NH3) está formado por un átomo de nitrógeno unido a tres átomos de hidrógeno. A los átomos de nitrógeno les gusta combinarse con otro átomo de nitrógeno y el N2 resultante es una molécula muy estable. A principios del siglo XX, dos químicos desarrollaron el proceso Haber-Bosch, que utiliza presiones de varios cientos de bares y temperaturas de varios cientos de grados centígrados para romper las moléculas de nitrógeno y producir amoníaco. Las enormes cantidades de energía que requiere este proceso químico hacen que sólo la producción de amoníaco sea responsable del 1,4% de las emisiones mundiales de dióxido de carbono y de alrededor del 1% del consumo mundial de energía. Por tanto, el potencial de ahorro es enorme. Dado que este proceso sólo es económicamente viable a gran escala, la producción mundial de amoníaco se concentra en sólo unas 100 plantas industriales. Aquí es donde entra en juego la investigación de Alexander Opitz.
Presión a través de la tensión
Opitz está investigando, con el apoyo del postdoctorando Maximilian Weiss, la estudiante de doctorado Melanie Anstiss y el estudiante de posgrado Christian Wimmer, para encontrar una forma alternativa de producir amoníaco. "En lugar de utilizar mucha energía para generar gas hidrógeno a una presión de cien bares para que pueda unirse al nitrógeno, utilizamos los procesos en los electrodos de las células electroquímicas, comparables a la electrólisis", explica Opitz.
En la electrólisis, una corriente eléctrica fuerza una reacción química en un electrodo. "En nuestro experimento utilizamos un material cerámico especial para electrodos que fabricamos nosotros mismos. A diferencia de muchos otros materiales, puede conducir tanto electrones cargados negativamente como protones cargados positivamente, es decir, los núcleos de los átomos de hidrógeno. En combinación con un electrolito conductor de protones entre los electrodos, podemos bombear hidrógeno a través de la célula electroquímica e influir en la presión efectiva en el electrodo mediante el voltaje aplicado".
En el experimento, el grupo de investigación lleva primero gas hidrógeno a un lado del electrolito cerámico. En el electrodo situado allí, los átomos de hidrógeno pierden su único electrón y se quedan sólo con el núcleo atómico, un único protón que puede moverse dentro del electrolito. La tensión eléctrica aplicada fuerza entonces a los protones cargados positivamente hacia el otro lado del electrolito, donde se encuentra el segundo electrodo. Este segundo electrodo, que consiste en un material cerámico especial, crea la alta presión efectiva de hidrógeno necesaria para la producción de amoníaco. "Ése es el truco de nuestro proyecto", explica Opitz. "Podemos poner hidrógeno a alta presión simplemente aplicando tensión eléctrica, que puede proceder de fuentes renovables".
Además, la superficie del material del cátodo está equipada con un catalizador, un material especialmente seleccionado que ayuda a romper las moléculas estables de nitrógeno atmosférico y combinarlas con hidrógeno.
Materias primas sostenibles y descentralización
"Hubo que resolver muchos problemas y aún nos queda mucho trabajo por delante", señala Opitz. "Por ejemplo, primero tuvimos que encontrar un método eficaz para medir fácilmente la concentración de hidrógeno en nuestros materiales cerámicos en el laboratorio. Lo conseguimos gracias a una fructífera colaboración con colegas que trabajan en química analítica en la TU Wien."
Uno de los próximos pasos será la selección del mejor catalizador, y los investigadores también quieren incorporar a su proceso una fuente sostenible de hidrógeno. "Hasta ahora, la mayor parte del hidrógeno se ha obtenido a partir de gas natural fósil. Nos gustaría ampliar nuestro proceso para producir el hidrógeno, que luego se bombea a través de nuestra célula electroquímica, directamente a partir del agua", afirma Opitz.
La investigación sobre la producción electroquímica de amoníaco continuará durante algún tiempo, pero Opitz y su equipo están muy motivados y ya tienen en mente posibles áreas de aplicación. "Nuestro método podría utilizarse para hacer más sostenibles otras reacciones químicas con hidrógeno. También podemos utilizarlo para permitir la producción descentralizada de amoníaco, ya que nuestra tecnología permite una ampliación y reducción relativamente sencillas. Los agricultores, por ejemplo, podrían utilizar un pequeño reactor electroquímico para producir localmente el amoníaco que necesitan para sus fertilizantes. De este modo, podrían alimentar sus cultivos con nitrógeno de su propia producción".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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