La introducción de nuevos materiales en la fabricación de hormigón reduciría significativamente su huella de carbono, que equivale al 8 por ciento de las emisiones globales, sin alterar sus propiedades.

Es el hallazgo publicado en la revista PNAS Nexus por un equipo liderado por el MIT.

Después del agua, el hormigón es el segundo material más consumido del mundo y representa la piedra angular de la infraestructura moderna. Sin embargo, durante su fabricación se liberan grandes cantidades de dióxido de carbono, tanto como subproducto químico de la producción de cemento como en la energía necesaria para impulsar estas reacciones.

Aproximadamente la mitad de las emisiones asociadas con la producción de cemento provienen de la quema de combustibles fósiles como el petróleo y el gas natural, que se utilizan para calentar una mezcla de piedra caliza y arcilla que finalmente se convierte en el familiar polvo gris conocido como Cemento Portland Ordinario (OPC).

Si bien la energía requerida para este proceso de calentamiento podría eventualmente ser sustituida con electricidad generada a partir de fuentes renovables de energía solar o eólica, la otra mitad de las emisiones es inherente al material mismo: a medida que la mezcla mineral se calienta a temperaturas superiores a los 1.400 grados Celsius, sufre una transformación química de carbonato de calcio y arcilla a una mezcla de clínker (que consiste principalmente en silicatos de calcio) y dióxido de carbono, y este último se escapa al aire.

Cuando el OPC se mezcla con agua, arena y material de grava durante la producción de hormigón, se vuelve altamente alcalino, creando un ambiente aparentemente ideal para el secuestro y almacenamiento a largo plazo de dióxido de carbono en forma de materiales de carbonato (un proceso conocido como carbonatación). A pesar de este potencial del hormigón para absorber naturalmente el dióxido de carbono de la atmósfera, cuando estas reacciones ocurren normalmente, principalmente dentro del hormigón tratado, pueden debilitar el material y disminuir la alcalinidad interna, lo que acelera la corrosión de la barra de refuerzo.

Estos procesos finalmente destruyen la capacidad de carga del edificio y tienen un impacto negativo en su rendimiento mecánico a largo plazo. Como tales, estas reacciones lentas de carbonatación en la última etapa, que pueden ocurrir en escalas de tiempo de décadas, se han reconocido durante mucho tiempo como vías indeseables que aceleran el deterioro del concreto.

«El problema con estas reacciones de carbonatación de postratado», dice en un comunicado el autor principal del estudio, Admir Masic, «es que alteran la estructura y la química de la matriz de cementación que es muy eficaz para prevenir la corrosión del acero, lo que conduce a la degradación». Masic es profesor de ingeniería civil y ambiental en el MIT.

Por el contrario, las nuevas vías de secuestro de dióxido de carbono descubiertas por los autores se basan en la formación muy temprana de carbonatos durante la mezcla y el vertido del hormigón, antes de que fragüe el material, lo que podría eliminar en gran medida los efectos perjudiciales de la absorción de dióxido de carbono después del tratamiento del material.

La clave del nuevo proceso es la adición de un ingrediente simple y económico: bicarbonato de sodio, también conocido como bicarbonato de sodio. En pruebas de laboratorio que utilizaron sustitución de bicarbonato de sodio, el equipo demostró que hasta el 15 por ciento de la cantidad total de dióxido de carbono asociado con la producción de cemento podría mineralizarse durante estas primeras etapas, lo suficiente como para hacer una mella significativa en la huella de carbono global del material.

«Todo es muy emocionante», dice Masic, «porque nuestra investigación avanza en el concepto de concreto multifuncional al incorporar los beneficios adicionales de la mineralización de dióxido de carbono durante la producción y la fundición».

Además, el hormigón resultante fragua mucho más rápido a través de la formación de una fase compuesta no descrita anteriormente, sin afectar su rendimiento mecánico. Este proceso permite que la industria de la construcción sea más productiva: los encofrados se pueden quitar antes, lo que reduce el tiempo necesario para completar un puente o un edificio.

El compuesto, una mezcla de carbonato de calcio e hidrato de calcio y silicio, «es un material completamente nuevo», dice Masic. «Además, a través de su formación, podemos duplicar el desempeño mecánico del concreto en etapa inicial». Sin embargo, agrega, esta investigación es todavía un esfuerzo continuo. «Si bien actualmente no está claro cómo la formación de estas nuevas fases afectará el desempeño a largo plazo del hormigón, estos nuevos descubrimientos sugieren un futuro optimista para el desarrollo de materiales de construcción neutrales en carbono».

Si bien la idea de la carbonatación del hormigón en etapa temprana no es nueva, y hay varias compañías existentes que a están explorando actualmente este enfoque para facilitar la absorción de dióxido de carbono después de que se moldea en la forma deseada, los descubrimientos actuales del equipo del MIT resaltan el hecho de que la capacidad de pretratado del hormigón para secuestrar dióxido de carbono se ha subestimado e infrautilizado en gran medida.

Un experimento en un análogo marciano en el norte de Chile ha probado la utilidad de equipo robots planetarios con inteligencia artificial para centrar la búsqueda de vida de la forma más eficaz.

En un artículo publicado en Nature Astronomy, un estudio interdisciplinar dirigido por Kim Warren-Rhodes, investigadora principal del Instituto SETI, cartografió la escasa vida oculta en cúpulas de sal, rocas y cristales del Salar de Pajonales, en el límite entre el desierto chileno de Atacama y el Altiplano.

A continuación, Warren-Rhodes trabajó con los coinvestigadores Michael Phillips (Laboratorio de Física Aplicada Johns Hopkins) y Freddie Kalaitzis (Universidad de Oxford) para entrenar un modelo de aprendizaje automático que reconociera los patrones y reglas asociados a sus distribuciones, de modo que pudiera aprender a predecir y encontrar esas mismas distribuciones en datos sobre los que no había sido entrenado.

En este caso, al combinar la ecología estadística con la inteligencia artificial/aprendizaje de máquina, los científicos pudieron localizar y detectar biofirmas hasta un 87,5% de las veces (frente a un 10% mediante búsqueda aleatoria) y disminuir el área necesaria para la búsqueda hasta en un 97%.

«Nuestro marco nos permite combinar la potencia de la ecología estadística con el aprendizaje automático para descubrir y predecir los patrones y reglas por los que la naturaleza sobrevive y se distribuye en los paisajes más duros de la Tierra», afirma Rhodes en un comunicado. «Esperamos que otros equipos de astrobiología adapten nuestro enfoque para cartografiar otros entornos habitables y bioseñales. Con estos modelos, podemos diseñar hojas de ruta y algoritmos a medida para guiar a los vehículos exploradores hacia lugares con la mayor probabilidad de albergar vida pasada o presente, por muy oculta o rara que sea».

En última instancia, algoritmos similares y modelos de aprendizaje automático para muchos tipos diferentes de entornos habitables y biofirmas podrían automatizarse a bordo de robots planetarios para guiar eficazmente a los planificadores de misiones a zonas de cualquier escala con la mayor probabilidad de contener vida.

Rhodes y el equipo del Instituto de Astrobiología de la NASA (NAI) del Instituto SETI utilizaron el Salar de Pajonales como análogo de Marte. Pajonales es un lecho salino seco, hiperárido, de gran altitud (3.541 m) y alto U/V, considerado inhóspito para muchas formas de vida, pero aún habitable.

Durante las campañas de campo del proyecto NAI, el equipo recogió más de 7.765 imágenes y 1.154 muestras y probó instrumentos para detectar microbios fotosintéticos que viven en el interior de las cúpulas salinas, las rocas y los cristales de alabastro. Estos microbios exudan pigmentos que representan una posible biofirma en la Escalera de Detección de Vida de la NASA.

En Pajonales, las imágenes de vuelo de drones conectaron datos orbitales simulados (HiRISE) con muestreos en tierra y cartografía topográfica en 3D para extraer patrones espaciales. Los resultados del estudio confirman (estadísticamente) que la vida microbiana en el yacimiento análogo terrestre de Pajonales no se distribuye de forma aleatoria, sino que se concentra en puntos biológicos irregulares fuertemente vinculados a la disponibilidad de agua a escalas de km a cm.

A continuación, el equipo entrenó redes neuronales convolucionales (CNN) para reconocer y predecir características geológicas a macroescala en Pajonales -algunas de las cuales, como el suelo con patrones o las redes poligonales, también se encuentran en Marte- y sustratos a microescala (o «microhábitats») con más probabilidades de contener biofirmas.

Al igual que el equipo de Perseverance en Marte, los investigadores probaron cómo integrar eficazmente un UAV/drone con rovers, perforadoras e instrumentos terrestres (por ejemplo, VISIR en ‘MastCam-Z’ y Raman en ‘SuperCam’ en el rover Perseverance de Mars 2020).

MADRID, 27 Feb. (EUROPA PRESS) –

Una nueva batería de litio-aire desarrollada en EEUU puede hacer realidad recorrer más de mil kilómetros con una sola carga y alimentar algún día aviones domésticos y camiones de largo recorrido.

El principal componente de esta batería de litio-aire es un electrolito sólido en lugar del líquido habitual. Las baterías con electrolitos sólidos no están sujetas al problema de seguridad de los electrolitos líquidos utilizados en las baterías de iones de litio y otros tipos de baterías, que pueden recalentarse e incendiarse.

Y lo que es más importante, la química de la batería del equipo con el electrolito sólido puede aumentar la densidad energética hasta cuatro veces por encima de las baterías de iones de litio, lo que se traduce en una mayor autonomía.

«Durante más de una década, los científicos de Argonne y de otros lugares han estado trabajando horas extras para desarrollar una batería de litio que aproveche el oxígeno del aire», dijo en un comunicado Larry Curtiss, científico del Argonne National Laboratory del Departamento de Energía de la administración estadounidense, que participó en la investigación. «La batería de litio-aire tiene la mayor densidad energética prevista de todas las tecnologías de baterías que se están considerando para la próxima generación de baterías más allá del litio-ion».

En los diseños anteriores de litio-aire, el litio en un ánodo de metal de litio se mueve a través de un electrolito líquido para combinarse con el oxígeno durante la descarga, produciendo peróxido de litio (Li2O2) o superóxido (LiO2) en el cátodo. El peróxido o superóxido de litio se descompone en sus componentes de litio y oxígeno durante la carga. Esta secuencia química almacena y libera energía a demanda.

El nuevo electrolito sólido del equipo está compuesto por un material polimérico cerámico fabricado con elementos relativamente baratos en forma de nanopartículas. Este nuevo sólido permite reacciones químicas que producen óxido de litio (Li2O) al descargarse.

«La reacción química del superóxido o peróxido de litio sólo implica uno o dos electrones almacenados por molécula de oxígeno, mientras que la del óxido de litio implica cuatro electrones», explica el químico de Argonne Rachid Amine. Más electrones almacenados significa mayor densidad energética».

El diseño de litio-aire del equipo es la primera batería de litio-aire que ha conseguido una reacción de cuatro electrones a temperatura ambiente. Además, funciona con oxígeno suministrado por el aire del entorno. La capacidad de funcionar con aire evita la necesidad de tanques de oxígeno para funcionar, un problema de los diseños anteriores.

El equipo empleó muchas técnicas diferentes para establecer que realmente se estaba produciendo una reacción de cuatro electrones. Una técnica clave fue la microscopía electrónica de transmisión (TEM) de los productos de la descarga en la superficie del cátodo, que se llevó a cabo en el Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne. Las imágenes TEM proporcionaron información valiosa sobre el mecanismo de descarga de cuatro electrones.

Las anteriores pilas de litio-aire de prueba tenían ciclos de vida muy cortos. El equipo ha demostrado que su nuevo diseño de batería no tiene este inconveniente construyendo y haciendo funcionar una célula de prueba durante 1.000 ciclos, lo que demuestra su estabilidad en cargas y descargas repetidas.

«Con un mayor desarrollo, esperamos que nuestro nuevo diseño de batería de litio-aire alcance también una densidad energética récord de 1.200 vatios-hora por kilogramo», afirma Curtiss. «Eso es casi cuatro veces mejor que las baterías de iones de litio».

Esta investigación se publicó en Science.