El cambio climático es malo y está empeorando. La causa principal es la quema de combustibles fósiles, que arroja CO2 a la atmósfera. El dióxido de carbono, como todos sabemos, es un gas de efecto invernadero, es decir, absorbe la radiación térmica de la Tierra, impidiendo que escape al espacio.
Sin CO2 la Tierra sería tan fría que los océanos se congelarían
Pero en la época preindustrial la concentración de CO2 en la atmósfera era de unas 280 partes por millón (ppm). Ahora es de 420 ppm, es decir, un 50% más. Quizá te sorprenda saber que el CO2 solamente representa el 0.04% del aire que respiramos, pero es suficiente para arruinarlo todo.
¿Y si pudiéramos eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera? Algunas empresas están experimentando con esta idea: la captura directa del aire. El único problema es que para eliminar la ínfima fracción de CO2 del aire, que está compuesta en un 99% por nitrógeno y oxígeno, se necesita mucha energía, y nuestra sed de energía es justamente lo que nos ha metido en este lío.
¿Cuánta energía haría falta? Me alegro de que lo preguntes. Podemos calcularlo utilizando algunas ideas fundamentales de la termodinámica.
EarthCARE, el satélite europeo que estudiará las nubes para comprender el cambio climáticoLos datos científicos del satélite EarthCARE de la Agencia Espacial Europea, que llegará a finales de este año, se utilizarán para comprender los mecanismos que subyacen al cambio climático.
Expansión libre del gas
Empecemos con un ejemplo sencillo. Imaginemos que tenemos una caja con un volumen de 1 metro cúbico, y que tiene un separador que la divide en dos mitades iguales. En un lado contiene nitrógeno a presión y temperatura atmosféricas, y el otro lado está completamente vacío. He aquí un diagrama:
Podemos modelar este gas como un montón de bolitas (moléculas de nitrógeno) rebotando. Cuando una bola de nitrógeno choca con una pared del recipiente, recibe un pequeño empujón. Todos estos empujones son los que hacen que el gas tenga una presión. En este caso, es una presión de 1 atmósfera, o unos 100,000 newtons por metro cuadrado. (Un N/m2 también se llama pascal).https://4e5b760723e3c6065c6ba2f428459e37.safeframe.googlesyndication.com/safeframe/1-0-40/html/container.htmlLO MÁS VISTO
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Supongamos que dejamos que se mueva el tabique del centro. Como hay una presión del gas, hay una fuerza sobre el tabique al deslizarse hacia el extremo. Según el principio trabajo-energía, una fuerza aplicada sobre una distancia significa que el movimiento de la pared puede hacer trabajo, y ese trabajo puede cambiar la energía de algo. Al dejar que este gas se expanda, podemos obtener energía de este sistema.
De hecho, cada vez que aumentas la entropía de un sistema puedes obtener algo de energía extra. Espera, ¿qué? ¿Qué diablos es la entropía? Deberíamos hablar de ello. En resumen, la entropía es una medida de la cantidad de desorden en un sistema. En termodinámica, los sistemas tienden a pasar de un estado de baja entropía a uno de mayor entropía, lo que significa que se desordenan más con el tiempo, como la habitación de un adolescente.
Así, en nuestra caja, cuando el gas se expande hasta llenar todo el recipiente (lo que llamamos expansión libre), el sistema está «más desordenado», puesto que ya no está separado en dos compartimentos, y la entropía aumenta.
Pero, ¿por qué nos importa? Bueno, es posible calcular el cambio de entropía de un gas en expansión y utilizarlo para hallar el cambio de energía. Como esto no es un curso de Termodinámica Avanzada, me limitaré a mostrarte la ecuación y dar una breve explicación:
En esta expresión, ΔS es el cambio de entropía (en julios por kelvin). V1 y V2 son los volúmenes inicial y final, N es el número de partículas. Por último, k es la constante de Boltzmann con un valor de 1.38 x 10-23 julios por kelvin. Podemos calcular el cambio de energía(ΔE) del gas como:
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Aquí T es la temperatura del gas en grados kelvin. Bien, hagamos un cálculo rápido. Supongamos que tengo 0.5 m3 de aire que dejo expandir en 1 m3. Si la temperatura se mantiene constante, este cambio de entropía supondrá una disminución de energía de 37,000 julios. Eso significa que este gas podría dedicar esa energía a algún uso productivo, como tostar una Pop-Tart.
Separación de gases mixtos
Esto es lo interesante: podemos utilizar la misma idea sobre los cambios de entropía al separar gases para calcular la energía necesaria para eliminar el CO2 del aire. En lugar de dejar que un gas se expanda en un volumen mayor, queremos tomar una mezcla de dos gases y moverlos a lados opuestos del recipiente.
Supongamos que tenemos un gas de bola roja mezclado con un gas de bola azul. Podríamos utilizar dos paredes mágicas móviles. Una pared sólo deja pasar bolas azules, la otra sólo deja pasar bolas rojas. Después de mover estas paredes, tendríamos una separación de gases.
Básicamente, estamos comprimiendo ambos gases desde su espacio original (todo el contenedor) en compartimentos separados y ordenados, como calcetines y pantalones cortos en cajones diferentes. Digamos que empezamos con un volumen V; ahora hay N1 bolas rojas en un nuevo volumen V1, y N2 bolas azules en el volumen V2.
Tanto V1 como V2 son más pequeños que el volumen original V (obvio), por lo que V1/V y V2/V son menores que 1, y cuando tomamos el logaritmo de una fracción, obtenemos un número negativo. Esto significa que el cambio en la entropía, ΔS, será negativo. Con una disminución de la entropía, obtenemos un cambio positivo en la energía, por lo que debemos añadir energía al sistema para que esto ocurra. (Sí, igual que hace falta energía para limpiar tu habitación).
Captura de dióxido de carbono
Bien, ya conocemos la física de la separación de gases, así que vamos a utilizarla. ¿Cuánta energía se necesita para extraer las moléculas de dióxido de carbono del aire? Es un cálculo difícil, pero empecemos con 1 metro cúbico de aire. (A una temperatura ambiente de 293° K (68° Fahrenheit) y una presión atmosférica de 1 atmósfera, serían 2.47 x 1025 moléculas. A 400 ppm, 9.89 x 1021 de ellas serán dióxido de carbono. Queremos recoger las moléculas de CO2 y llevarlas a su propio compartimento.
Si suponemos que tanto las moléculas de nitrógeno como las de CO2 se comportan como gases ideales, entonces en realidad tratamos con la presión del gas en lugar del volumen. De todos modos, tendríamos que utilizar la presión para hallar el volumen, pero en este caso podemos considerar que el nitrógeno está a una presión cercana a 1 atmósfera y la presión parcial del CO2 sería de 400 millonésimas (0.0004) de la presión atmosférica. La energía necesaria para separar el CO2 sería entonces:
Haciendo cuentas, se necesitarían 313 julios de energía para capturar el dióxido de carbono en esta caja. Si lo miramos en términos de masa, la masa total de gas sería de 1.2 kilogramos, de los cuales 0.48 gramos son CO2. Eso significa que harán falta 652,000 julios de energía por cada kilogramo de dióxido de carbono que obtengamos del aire. O debería decir que se necesitará al menos esa cantidad de energía. Ningún proceso es perfectamente eficiente, así que es un mínimo teórico.https://4e5b760723e3c6065c6ba2f428459e37.safeframe.googlesyndication.com/safeframe/1-0-40/html/container.htmlLO MÁS VISTO
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Pero, ¿cuánto dióxido de carbono hay en la atmósfera? No es una pregunta fácil. Sí, la proporción es de unas 400 ppm, pero necesitamos saber cuántas partículas hay en la atmósfera. Pues bien. Hagamos una aproximación (es lo que hacen los físicos).
Supongamos que tomamos el aire hasta 5 kilómetros por encima de la superficie de la Tierra. Puedo suponer que tiene una densidad constante de 1.2 kilogramos por metro cúbico y que 400 de cada millón de estas moléculas son CO2, lo que nos da una masa total de CO2 de 1.2 x1015 kilogramos, o 1.2 billones de toneladas métricas. Sí, eso es MUCHO, y probablemente se trate de una estimación a la baja.
Si quisiéramos eliminar suficiente CO2 para volver al nivel preindustrial de 280 ppm, harían falta 2.39 x 1020 julios de energía. Para ser realistas, esa cantidad es casi la misma que el consumo total anual de energía del mundo (5.8 x 1021 julios al año).
Pero eso no importa. El problema más urgente es que cada vez emitimos más dióxido de carbono a la atmósfera. En 2023, las emisiones totales de CO2 serán de unos 37,000 millones de toneladas métricas. Si quisiéramos eliminar solamente esta cantidad cada año, para evitar que aumente el nivel de dióxido de carbono, harían falta 764 gigavatios de energía.
Para que quede claro, una central nuclear produce alrededor de 1 GW. Si se incluyen las ineficiencias de todo el proceso de captura directa en el aire, probablemente harían falta más de 1,000 centrales nucleares.
Se trata de una estimación aproximada: las cosas se complican mucho más si tenemos en cuenta la interacción del CO2 atmosférico con las rocas, los océanos y demás. Pero creo que la conclusión es bastante clara: cualquier idea de que podemos mantener nuestro estilo de vida actual y simplemente aspirar el CO2 del aire después es una fantasía. Sería mucho mejor dedicar ese esfuerzo y esos gastos a eliminar las emisiones.
Artículo publicado originalmente en WIRED. Adaptado por Alondra Flores.
Fuente: Wireed
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