Investigadores lograron fabricar combustible más limpio a partir de un rayo embotellado: ¿cómo funciona?
El proyecto se encuentra aún en una fase experimental y se busca eliminar la necesidad de altas temperaturas y presiones para reducir el costo de producción de metanol. Este nuevo método consiste en una reacción de un solo paso, mucho más eficiente y con menor impacto ambiental.
Químicos de la Universidad Northwestern han descubierto una nueva forma de convertir el gas natural en combustible líquido, y es un verdadero milagro. Aprovechando diminutas ráfagas de plasma —o mini «rayos»— en tubos de vidrio sumergidos en agua, el equipo ha logrado convertir metano directamente en metanol en un solo paso, el estudio se publicó en la revista Journal of the American Chemical Society.
El metanol es un producto químico industrial versátil y de gran demanda, utilizado en la fabricación de muchos productos de uso cotidiano. También se emplea comúnmente como disolvente industrial y está ganando popularidad como combustible más limpio para barcos y calderas industriales.
Este método evita el calor extremo y las altas presiones que requieren los procesos industriales actuales, los cuales descomponen el metano y lo transforman en metanol mediante un proceso de varias etapas. Si bien el método actual es fiable, consume mucha energía y emite millones de toneladas de dióxido de carbono al año a nivel mundial.
Utilizando únicamente electricidad, agua y un catalizador de óxido de cobre, este nuevo proceso podría ofrecer una vía más limpia y electrificada para producir uno de los componentes químicos básicos más utilizados en el mundo.
«Utilizamos pulsos de electricidad de alto voltaje», explicó Dayne Swearer , de la Universidad Northwestern y autor principal del estudio. «Si el potencial eléctrico es lo suficientemente alto, se generan rayos dentro de nuestro reactor, como ocurre durante una tormenta eléctrica de verano. Aprovechamos este fenómeno químico para romper los enlaces del metano sin calentar todo el sistema a temperaturas extremas».
Swearer es profesor adjunto de química en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern y de ingeniería química y biológica en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern . También es miembro del Instituto Internacional de Nanotecnología , del Instituto Paula M. Trienens para la Sostenibilidad y la Energía y del Instituto Northwestern-Argonne para la Excelencia Científica y de Ingeniería.
Desmantelar y reconstruir
El metanol, uno de los productos químicos básicos más utilizados en el mundo, es un ingrediente clave en plásticos, pinturas y adhesivos. Más recientemente, los investigadores han explorado el metanol como un combustible líquido prometedor, ya que su combustión produce menores emisiones de azufre y contaminación por partículas que la gasolina y el diésel.
Actualmente, la industria genera metanol mediante un proceso de varias etapas, que comienza con el reformado con vapor. Primero, el metano reacciona con vapor a temperaturas superiores a los 800 grados Celsius para descomponerlo en monóxido de carbono e hidrógeno.
Luego, estos gases se recombinan a presiones extremadamente altas —de 200 a 300 veces la presión atmosférica estándar— para formar metanol. La descomposición y posterior recombinación del metano consume una enorme cantidad de calor y genera dióxido de carbono en el proceso.
“Se necesitan temperaturas extremas para romper los enlaces químicos no reactivos entre el carbono y el hidrógeno del metano”, explicó Swearer. “Luego, hay que aplicar alta presión para comprimir todas esas moléculas sobre el catalizador y así formar la molécula de metanol. Funciona, pero no es el método más directo para obtener metanol a partir de metano”.
Sustituir el calor por plasma
Si bien los investigadores llevan tiempo buscando una solución más eficiente energéticamente y de un solo paso, se han enfrentado a dos desafíos. El metano es inusualmente estable y difícil de descomponer, lo que requiere condiciones de reacción extremas.
Además, una vez formado el metanol, este continúa reaccionando, degradándose rápidamente en dióxido de carbono. Por lo tanto, el reto no reside solo en iniciar la reacción, sino en detenerla en el momento preciso.
Para superar estos problemas, Swearer y su equipo recurrieron al plasma, un estado de la materia altamente energizado, repleto de electrones calientes que se mueven a gran velocidad. La mayoría de la gente probablemente conozca el plasma como el tipo de materia que compone el sol o los rayos.
El grupo de Swearer trabaja principalmente con plasmas fríos, en los que la temperatura de las moléculas de gas es cercana a la temperatura ambiente, pero los electrones se calientan selectivamente a temperaturas que pueden superar las decenas de miles de grados.
“Más del 99 % del universo observable está compuesto de plasma”, afirmó James Ho, candidato a doctorado en el laboratorio de Swearer y primer autor del estudio. “Aunque es omnipresente, en realidad es un recurso sin explotar en el campo de la química. La razón por la que utilizamos plasmas fríos es porque podemos producirlos a bajas temperaturas y en condiciones normales de presión atmosférica”.
Para este nuevo proceso de un solo paso, se construyó un reactor de plasma de burbujas, que consiste básicamente en un tubo de vidrio poroso recubierto con un catalizador de óxido de cobre. A continuación, el equipo hizo circular gas metano a través del tubo mientras aplicaba pulsos eléctricos. La electricidad transformó el gas metano en plasma, dividiendo el metano y el agua en fragmentos altamente reactivos.
Estos fragmentos se recombinaron para formar metanol, que se disolvió inmediatamente en el agua circundante. Esta rápida extinción detuvo la reacción química en el momento preciso, impidiendo que el metano se descompusiera en dióxido de carbono.
Potenciación con argón
Para optimizar aún más el proceso, el equipo diluyó metano con argón, que normalmente es un gas noble inerte. Sin embargo, tras ionizar el argón en el plasma, los químicos descubrieron que se convertía en un participante activo y reactivo en el proceso químico, aumentando la densidad electrónica dentro del plasma y reduciendo los subproductos no deseados.
En las condiciones optimizadas con argón presente, el sistema demostró una selectividad del 96,8 % hacia el metanol en la mezcla líquida. En otras palabras, de todos los productos líquidos formados durante el proceso, la mayor parte era metanol. Y, de todos los productos formados —tanto gaseosos como líquidos—, aproximadamente el 57 % resultó ser metanol.
“También obtuvimos etileno, un precursor de la producción de plástico, e hidrógeno, un producto químico básico importante y un combustible con cero emisiones de carbono”, explicó Swearer. “Así pues, tomamos metano, un gas muy abundante, y lo transformamos en metanol, etileno, hidrógeno y un poco de propano. Todos estos son productos intrínsecamente más valiosos”.
Si se ampliara a mayor escala, el sistema impulsado por plasma podría permitir la creación de instalaciones más pequeñas y distribuidas que utilicen electricidad para convertir el metano en combustibles líquidos.
“Podríamos tratar los recursos varados, como las cabezas de pozos con fugas que emiten metano al medio ambiente”, dijo Swearer. “Actualmente, la forma de lidiar con el metano filtrado es prenderle fuego para convertirlo en dióxido de carbono, que calienta el clima menos que el metano, pero que sigue siendo un problema evidente. En cambio, podríamos llevar un reactor a menor escala al lugar donde se produce la fuga de metano y convertirlo en un combustible líquido transportable”.
El estudio, titulado «Oxidación parcial directa de metano en interfaces plasma-catalizador-líquido», fue financiado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, la Oficina de Investigación del Ejército DEVCOM ARL del Ejército de los Estados Unidos y la Fundación David y Lucille Packard.
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