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    ¿Podemos utilizar la energía solar para producir fertilizantes directamente en la granja?

    Los investigadores de Stanford lideran un esfuerzo para producir fertilizantes ricos en nitrógeno de manera sostenible. Crédito:iStock / yupiyan

    A menudo se le llama al pan el báculo de la vida, pero esa etiqueta podría aplicarse con mayor precisión al nitrógeno, el elemento que las bacterias del suelo extraen de la atmósfera y altera químicamente para ayudar a estimular el crecimiento de las plantas, que en última instancia alimentan al ganado y también a los seres humanos.

    Hoy en día existe una vasta industria para producir y distribuir fertilizantes nitrogenados a las granjas, que se benefician de un mayor rendimiento de los cultivos pero, Desafortunadamente, a algún costo ambiental, ya que el exceso de escorrentía química a menudo se derrama en ríos y vías fluviales costeras.

    Ahora, los investigadores de Stanford están liderando un esfuerzo de varios años para producir este impulsor del crecimiento vital de una manera sostenible, al inventar una tecnología química alimentada por energía solar que puede producir este fertilizante directamente en la granja y aplicarlo directamente a los cultivos, estilo riego por goteo.

    "Nuestro equipo está desarrollando un proceso de producción de fertilizantes que puede alimentar al mundo de una manera ambientalmente sostenible, "dice el ingeniero químico Jens Norskov, director del Centro SUNCAT de Ciencia y Catálisis de Interfaces, una asociación entre investigadores de Stanford Engineering y el SLAC National Accelerator Laboratory.

    Este proyecto SUNCAT de ocho años cuenta con el apoyo de una subvención de $ 7 millones de la Fundación Villum, una filantropía científica y medioambiental internacional. El esfuerzo de nitrógeno sostenible es parte de un Iniciativa de 20 millones de dólares respaldada por Villum para reunir a investigadores de Stanford con científicos daneses para desarrollar tecnologías sostenibles para producir no solo fertilizantes. pero combustibles y otros químicos industriales vitales.

    "Un hilo común en estos proyectos es la necesidad de identificar catalizadores que puedan promover procesos químicos impulsados ​​por la luz solar, en lugar de depender de los combustibles fósiles que ahora se utilizan comúnmente como fuentes de energía y, a menudo, como materia prima para reacciones, "dice Norskov, profesor de ingeniería química y ciencia de fotones en Stanford.

    Los catalizadores, compuestos que estimulan reacciones sin consumirse, se han utilizado a escala industrial durante más de un siglo. Los fertilizantes actuales se derivan comúnmente de productos petroquímicos a través de un proceso de uso intensivo de energía que se basa en catalizadores para acelerar las reacciones que ocurren bajo altas presiones y temperaturas. Desarrollando un bajo consumo de energía, El proceso basado en la energía solar para producir fertilizantes nitrogenados podría beneficiar a miles de millones de personas. particularmente los del mundo en desarrollo. Pero para llegar allí, los investigadores de SUNCAT tendrán que abrirse camino en la ciencia de la catálisis.

    "No conocemos catalizadores artificiales que puedan hacer lo que necesitamos, "Dice Norskov." Tendremos que diseñarlos ".

    Nitrógeno y vida

    El nitrógeno está literalmente entretejido en el tejido de la vida. Mediante combinaciones químicas con carbono, hidrógeno y oxígeno, el nitrógeno ayuda a formar aminoácidos, que son en sí mismos los componentes básicos de las proteínas, esa versátil familia de moléculas vitales para todos los seres vivos. Podemos agradecer a las bacterias del suelo por hacer utilizable el nitrógeno. Con el tiempo, los microorganismos desarrollaron un ecosistema bioquímico para extraer nitrógeno de la atmósfera y combinarlo con hidrógeno del agua para formar compuestos como el amoníaco que pueden ser absorbidos por las plantas. promoviendo su crecimiento y canalizando este gas atmosférico a la cadena alimentaria.

    No sabemos cuándo los agricultores descubrieron por primera vez los beneficios de la fertilización, pero la práctica es antigua. Los estudios modernos de los suelos alrededor de los asentamientos neolíticos sugieren que, ya a las 6, 000 años atrás, los agricultores buscaron aumentar los rendimientos fertilizando los cultivos con desechos animales, que ahora se sabe que contienen urea rica en nitrógeno (amoníaco más carbono). Otras prácticas tradicionales de fertilización han incluido el cultivo de cultivos como el trébol y la alfalfa que son buenos para fijar el nitrógeno utilizable en el suelo. o simplemente dejar los campos en barbecho para permitir que las bacterias del suelo repongan el suministro de la naturaleza. Tiempo extraordinario, a medida que la población crecía y se trasladaba a las ciudades, Surgieron industrias para suministrar a los agricultores fertilizantes a base de nitrógeno. A veces, esto implicaba enviar barcos para recoger depósitos de guano de aves en islas remotas, o productos químicos de minería como el nitrato de sodio o el sulfato de amonio que podrían refinarse en aditivos para el crecimiento de las plantas.

    En la primera década del siglo XX, sin embargo, el crecimiento de la población amenazaba con sobrecargar esas prácticas. Fue en esta coyuntura crucial cuando el químico alemán Fritz Haber, trabajando con el ingeniero químico Carl Bosch, descubrió cómo producir amoníaco en masa en cubas gigantes utilizando gas natural, cuál fue el punto de partida o materia prima del proceso. Bajo extrema presión y calor, Los catalizadores químicos podrían romper moléculas de gas natural. liberando los átomos de hidrógeno y uniéndolos al nitrógeno del aire para formar NH3, o amoníaco sintético que las plantas podrían absorber fácilmente. La tecnología Haber-Bosch ha sido aclamada como uno de los descubrimientos clave del siglo XX.

    "Literalmente alimentamos al mundo con fertilizantes derivados del proceso Haber-Bosch, "Dice Norskov.

    Escala e impacto ambiental

    Tom Jaramillo, subdirector del Centro SUNCAT y miembro del proyecto de síntesis de nitrógeno, poner en perspectiva la producción anual de fertilizantes.

    "Cada año producimos más de 20 kilogramos de amoníaco por persona para cada persona del planeta, y la mayor parte de ese amoníaco se usa como fertilizante, "dice Jaramillo, profesor asociado de ingeniería química y ciencia de fotones en Stanford.

    Pero esta producción masiva de fertilizantes tiene varios costos, comenzando con la producción. Debido al calor y la presión requeridos por el proceso Haber-Bosch, La catálisis de amoníaco representa aproximadamente el 1% de todo el consumo energético mundial. Además de eso, entre el 3% y el 5% del gas natural del mundo se utiliza como materia prima para proporcionar hidrógeno para la síntesis de amoniaco.

    Luego vienen los costos ambientales. Los fertilizantes actuales se producen en masa en plantas centralizadas, entregado a granjas y administrado mediante esparcidores mecanizados. El agua de lluvia y de riego puede arrastrar el exceso de fertilizante a los arroyos, ríos y vías navegables costeras. Las acumulaciones de la escorrentía de fertilizantes pueden estimular el hipercrecimiento de las plantas transmitidas por el agua, creando una espiral ambiental negativa en la que las plantas pueden asfixiar la vida marina para crear "zonas muertas" en los ríos, lagos y bahías de agua salada.

    Los investigadores de SUNCAT tienen como objetivo proporcionar los beneficios de la fertilización sin ninguno de estos costos. La idea es reemplazar lo centralizado, El proceso Haber-Bosch basado en combustibles fósiles con una red distribuida de módulos de producción de amoníaco bajo demanda funcionan con energía renovable. Estos módulos utilizarían energía solar para extraer nitrógeno de la atmósfera y también para catalizar la división de las moléculas de agua para obtener hidrógeno y oxígeno. Los procesos catalíticos unirían entonces un átomo de nitrógeno con tres átomos de hidrógeno para producir amoníaco, con oxígeno como producto de desecho.

    "Aprovecharemos la energía solar en presencia de catalizadores diseñados adecuadamente para crear amoníaco en los campos agrícolas, "Dice Norskov." Piense en ello como un método de riego por goteo para sintetizar amoníaco, donde se filtra en las raíces de los cultivos ".

    Este esfuerzo se produce cuando la atención se centra en la gran dependencia de la agricultura industrializada de los combustibles fósiles y las muchas ramificaciones ambientales de esa dependencia.

    "You won't need tremendous quantities of fossil fuels as an ammonia feedstock, or to drive the trucks that deliver the fertilizers or the tractors that apply it, " Norskov says. "And you won't have a problem with excess application and fertilizer runoff, because virtually all the fertilizer that is produced will be consumed completely by the crops."

    Such a process would have a global payoff. In the developed economies with mechanized agriculture, solar-based nitrogen catalysis would deliver fertilizers with dramatically lower environmental costs. In regions like sub-Saharan Africa, where depleted soils have stymied efforts at sustainable agriculture and reforestation, a solar-based fertilization technology could help subsistence farmers boost crop yields and alleviate hunger.

    Next-generation catalysis

    Developing a solar-powered technology to produce nitrogen-based fertilizers is an enormous challenge that begins with designing the necessary catalysts.

    "It is remarkable how much economic and industrial activity depends on catalysis and how little this is appreciated, " Norskov says.

    Catalysts are chemistry's multitaskers:They must target specific molecules, break certain chemical bonds and, a menudo, create new bonds to remake from the atomic jumble whatever end molecule is desired. It is understandably rare to find a chemical agent that can perform all this breaking and making without becoming exhausted – in this case a technical reference to the fact that a catalyst must carry out these chemical reactions without changing the atomic structure that enabled it to perform its multitasking magic in the first place.

    "While the catalyst must bind strongly enough to the target molecule to do the work required, it also has to release the end product, " says Stacey Bent, a professor of chemical engineering at Stanford and key member of the SUNCAT team. "We have to design catalysts that can make and break bonds with atomic precision, and we have to ensure these materials can be mass produced at the necessary scales and price points, and are durable and simple to use in the fields."

    This is especially true in the case of the fertilizer-production process envisioned here, Jaramillo explains, because of the complexity of the process.

    "We have to design a series of reactions to cleave the nitrogen molecule from air, separate the hydrogen from water and combine them to form ammonia, with the only input energy coming from solar power, " Jaramillo says, adding, "We're really just at the beginning."

    Computation, visualización, experimentación

    The close working relationship between Stanford engineers and researchers at the SLAC National Accelerator Laboratory is an important part of the story.

    SLAC particle accelerators and imaging technologies can capture and visualize chemical reactions at the atomic scale. Ese, in combination with SLAC's computational assets, will allow the SUNCAT team to use a variety of techniques, including artificial intelligence, machine learning and simulation, to identify promising materials, and then predict how slight alterations to their atomic structures might optimize them for use as catalysts.

    "We plan to simulate the properties of materials that could perform the necessary reactions, " says Bent, "and then come up with a short list of the best candidates for experimentalists to synthesize and test."

    The magnitude of the task requires a wide range of talents. In addition to Norskov, Jaramillo and Bent, other participating Stanford researchers include chemical engineering faculty Zhenan Bao and Matteo Cargnello. SLAC collaborators include Thomas Bligaard, senior staff scientist and deputy director of theory at SUNCAT, and staff scientist Frank Abild-Pedersen. A group of Danish researchers led by professor Ib Chorkendorff at the Technical University of Denmark are key members of the project.

    "We are part of a very strong team, attacking some of the biggest challenges in chemistry, chemical engineering and sustainability, " says Jaramillo.

    The ultimate goal is to create a catalytic process that can spur the various ammonia-producing chemical reactions with no inputs other than air, water and sunlight. Es más, these inexhaustible catalysts, and indeed every component in these ammonia-production modules, must be inexpensive to mass produce, durable in the field and easy to operate. It's a tall order but the potential payoff is huge.

    "Sustainable nitrogen production will only become possible with the cross-disciplinary collaboration of people working in fields such as materials science, chemical engineering and computer science, " Bent says. "It could literally change the world."

    If the project's goal seems worth the effort, the same is true for its research methodology. Team-based discovery that combines theoretical insight, atomic-level visualization and computational simulation can be applied to designing other sustainable processes to create fuels and industrial chemicals, as envisioned by the broader Villum initiative.

    Norskov framed that broader objective against the backdrop of global warming in a recent paper co-authored with Arun Majumdar, a professor of mechanical engineering at Stanford, co-director of the Precourt Institute for Energy and former founding director of the Advanced Research Projects Agency–Energy.

    In an essay for the Scientific Philanthropy Alliance, Norskov and Majumdar posit that civilization has reached the point at which the technologies that have allowed our population to grow may now threaten life's underpinnings. The essential challenge of the 21st century is to develop new technologies that meet human needs in ways that are environmentally sustainable.

    "Essentially we are attempting to restore the balance in the Earth's carbon and nitrogen cycles that has been lost through the exponential increase in the demand for food and fossil fuels, " Norskov and Majumdar write, adding, "The time to act is now."


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