Los átomos de carbono se presentan en formas pesadas y ligeras, o isótopos, y medir las cantidades relativas de cada uno puede revelar la fuente del carbono. Los átomos de oxígeno están representados en gris y los isótopos de carbono en naranja. Crédito:Kelly Irvine / NIST
Los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado un instrumento de laboratorio que puede medir qué cantidad de carbono en muchos materiales que contienen carbono se deriva de los combustibles fósiles. Esto abrirá el camino a nuevos métodos en las industrias de biocombustibles y bioplásticos, en investigación científica, y vigilancia ambiental. Entre otras cosas, permitirá a los científicos medir la cantidad de dióxido de carbono (CO 2 ) en la atmósfera provienen de la quema de combustibles fósiles, y estimar las emisiones de combustibles fósiles en un área tan pequeña como una ciudad o tan grande como un continente.
Esto es posible porque los átomos de carbono se encuentran en formas pesadas y ligeras, o isótopos, y medir las cantidades relativas de cada uno puede revelar la fuente del carbono. Usar isótopos de carbono de esta manera no es una idea nueva, pero requiere mediciones extremadamente precisas y costosas. El nuevo instrumento, desarrollado por los químicos del NIST Adam Fleisher y David Long y basado en una tecnología llamada espectroscopia de anillo de cavidad (CRDS), promete reducir drásticamente el costo de esas mediciones. Describieron el desempeño del instrumento en el Revista de letras de química física .
"La medición de isótopos de carbono es una técnica extremadamente útil, pero hasta ahora ha encontrado un uso limitado debido al costo, ", dijo Long." Reducir el costo abrirá el camino para nuevas aplicaciones, especialmente los que requieren probar una gran cantidad de muestras ".
La clave de estas mediciones es el carbono 14, un isótopo radiactivo (aunque inofensivo) de carbono que se forma en la atmósfera superior. Ese carbono-14 llega a todos los seres vivos. A diferencia del carbono regular, el carbono 14 es inestable, con una vida media de 5, 730 años. Cuando los seres vivos mueren dejan de incorporar carbono en sus cuerpos, y su carbono-14 comienza a descomponerse.
Los científicos pueden calcular cuánto tiempo hace que murió algo midiendo cuánto carbono-14 hay en sus restos. Esa técnica se llama datación por carbono, y los científicos lo utilizan para fechar cosas como huesos de neandertal y fibras vegetales antiguas.
Los combustibles fósiles también son restos de seres vivos, principalmente plantas que murieron hace cientos de millones de años. Prácticamente todo su carbono-14 se descompuso hace eones, por lo que todo lo que se derive de ellos está marcado por la ausencia de cantidades mensurables de carbono-14.
Pero el carbono 14 es extremadamente raro, y utilizarlo para identificar combustibles fósiles, los científicos deben poder medirlo en concentraciones tan bajas como 1 parte en 10 billones. Eso es el equivalente a un solo grano de arena en 60 camiones de volteo llenos de cosas.
Para medir concentraciones tan bajas, necesita una técnica de medición extremadamente sensible, y tal técnica ya existe. Los arqueólogos han confiado en él durante décadas. Pero esa técnica requiere un acelerador de partículas para separar los isótopos (el carbono 14 más pesado se acelera más lentamente que el carbono 12 cotidiano), junto con una instalación para albergarlo y un equipo de doctores para ejecutarlo.
El instrumento CRDS que han desarrollado Fleisher y Long puede colocarse en una mesa de laboratorio y es relativamente económico de operar.
Crédito:Kelly Irvine / NIST
Los instrumentos CRDS analizan los gases detectando las longitudes de onda de la luz que absorben. Por ejemplo, CO 2 que contiene carbono-14, el llamado CO pesado 2 —Absorbe una longitud de onda ligeramente diferente a la del CO normal 2 .
Para medir la cantidad de CO pesado 2 tienes en un CO 2 muestra, primero inyecta la muestra en la cavidad de medición del instrumento (la "C" en CRDS), que es un tubo con espejos en el interior en cada extremo. Luego, sintoniza un láser a la longitud de onda exacta que solo el CO pesado 2 absorbe y dispara una ráfaga en la cavidad. Mientras la luz láser rebota entre los espejos, parte de su energía es absorbida por el gas. Cuanto mayor sea la absorción, cuanto mayor sea la concentración de CO pesado 2 .
Para lograr la sensibilidad requerida, Fleisher y Long mejoraron la tecnología CRDS existente al diseñar un sistema que enfría la cavidad a una temperatura uniforme de menos 55 grados Celsius y minimiza las fluctuaciones de temperatura que alterarían la medición. Hacer la cavidad muy fría permite que su instrumento detecte señales muy débiles de absorción de luz, de la misma manera que podría escuchar la caída de un alfiler si hiciera una habitación extremadamente silenciosa.
Esta y otras mejoras aumentaron la sensibilidad del instrumento lo suficiente para una datación por carbono precisa.
Para probar biocombustibles y bioplásticos, primero quemarías esos materiales, luego recolecte el CO resultante 2 para analizar. Esto le permitiría probar una mezcla de combustible para determinar qué fracción es biocombustible. En la industria de las aerolíneas, por ejemplo, esto sería útil porque algunos países requieren que los combustibles de aviación incluyan un porcentaje específico de biocombustible. Estas pruebas también podrían utilizarse para verificar que los bioplásticos, que se venden por una prima, no contienen compuestos derivados del petróleo.
Para estimar las emisiones de combustibles fósiles en un área geográfica, recolectaría muchas muestras de aire en esa área y analizaría el CO atmosférico 2 en esas muestras. Áreas con altas emisiones de combustibles fósiles, como ciudades y zonas industriales, tendrá concentraciones de CO pesado por debajo de lo normal 2 .
"Las emisiones de combustibles fósiles diluyen la concentración de CO pesado 2 en el aire, ", dijo Fleisher." Si podemos medir con precisión esa concentración después de que se haya diluido, podemos calcular cuántas emisiones de combustibles fósiles hay en la mezcla ".
Un informe de la Academia Nacional de Ciencias estimó que 10, 000 muestras al año, recopilados en lugares cuidadosamente elegidos en los Estados Unidos, sería suficiente para estimar las emisiones nacionales de combustibles fósiles dentro del 10 por ciento del valor real. Un sistema de medición de este tipo puede aumentar la fiabilidad de las estimaciones de emisiones nacionales. Esto sería especialmente útil en partes del mundo donde no se dispone de datos de emisiones de alta calidad.
"Existe la necesidad de este tipo de medición en muchas industrias, ", Dijo Fleisher." Hemos demostrado un camino para satisfacer esa necesidad de una manera rentable ".
