Las imágenes son omnipresentes:una ciudad costera diezmada por otro poderoso huracán, imágenes de satélite que muestran la reducción de los casquetes polares, un banco de peces muertos flotando en la superficie de las aguas cálidas, franjas de tierra quemadas por un incendio forestal fuera de control. Estas terribles representaciones comparten un hilo conductor:ofrecen evidencia tangible de que el cambio climático está afectando a todos los rincones del mundo.

Según la NASA, La temperatura de la superficie de la Tierra ha aumentado 0,9 grados Celsius desde los albores de la Revolución Industrial. Los investigadores coinciden en que el aumento de las temperaturas tiene un culpable principal:el aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero.

Gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono, Óxido nitroso, y el metano atrapan el calor en nuestra atmósfera, haciéndolos directamente responsables del cambio climático. La presencia de estos gases en nuestra atmósfera ha aumentado exponencialmente desde finales del siglo XIX debido al crecimiento del uso de combustibles fósiles en la energía, fabricación, e industrias del transporte.

Un informe del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático de la ONU (IPCC), lanzado el 8 de octubre, 2018 advirtió que si la temperatura de la Tierra aumenta a más de 1,5 C, los efectos serían catastróficos. Se podrían perder ecosistemas enteros, los niveles del mar serían más altos, y los eventos climáticos extremos se volverían aún más comunes. Según el IPCC, evitar este escenario "requeriría cambios de gran alcance y sin precedentes en todos los aspectos de la sociedad, "incluyendo una disminución del 45 por ciento en los niveles de dióxido de carbono para 2030.

Los investigadores de MIT están trabajando en una gran variedad de tecnologías que reducen las emisiones de gases de efecto invernadero en todas las industrias. Muchos profesores están buscando energía sostenible. El profesor asociado Tonio Buonassisi y su equipo en el Laboratorio de Investigación Fotovoltaica esperan aprovechar el poder del sol, mientras que el profesor Alexander Slocum ha realizado investigaciones para hacer que las turbinas eólicas marinas sean más eficientes y económicamente viables.

Además de explorar formas sostenibles de energía que no requieran combustibles fósiles, varios miembros de la facultad del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT están recurriendo a tecnologías que almacenan, capturar, convertir, y minimizar las emisiones de gases de efecto invernadero utilizando enfoques muy diferentes.

Mejora del almacenamiento de energía con cerámica

Para que las tecnologías de energía renovable como la energía solar concentrada (CSP) tengan sentido económicamente, el almacenamiento es crucial. Dado que el sol no siempre brilla, La energía solar debe almacenarse de alguna manera para su uso posterior. Pero las plantas de CSP están actualmente limitadas por su infraestructura basada en acero.

"Mejorar el almacenamiento de energía es un tema crítico que presenta uno de los mayores obstáculos tecnológicos para minimizar las emisiones de gases de efecto invernadero, "explica Asegun Henry, el profesor de desarrollo profesional de Noyce y profesor asociado de ingeniería mecánica.

Experto en transferencia de calor, Henry ha recurrido a una clase poco probable de materiales para ayudar a aumentar la eficiencia del almacenamiento térmico:la cerámica.

En la actualidad, Las plantas de CSP están limitadas por la temperatura a la que pueden almacenar calor. La energía térmica de la energía solar se almacena actualmente en sal líquida. Esta sal líquida no puede superar una temperatura de 565 C ya que las tuberías de acero por las que fluyen se corroerán.

"Ha habido una suposición ubicua de que si vas a construir algo con líquido que fluye, las tuberías y las bombas deben ser de metal, ", dice Henry." En esencia, cuestionamos esa suposición ".

Henry y su equipo, que se mudó recientemente de Georgia Tech, han desarrollado una bomba de cerámica que permite que el líquido fluya a temperaturas mucho más altas. En enero de 2017, fue inscrito en el Libro Guinness de los récords mundiales por la "bomba de líquido con la temperatura de funcionamiento más alta". La bomba pudo hacer circular estaño fundido entre 1, 200 C y 1, 400 C.

"La bomba ahora nos da la capacidad de hacer una infraestructura de cerámica sin metal para plantas de CSP, permitiéndonos fluir y controlar el metal líquido, "Agrega Henry.

En lugar de usar sal líquida, Las plantas de CSP ahora pueden almacenar energía en metales, como estaño fundido, que tienen un rango de temperatura más alto y no corroen las cerámicas cuidadosamente elegidas. Esto abre nuevas vías para el almacenamiento y la generación de energía. "Estamos tratando de subir la temperatura tanto que nuestra capacidad de convertir el calor en electricidad nos da opciones, "Henry explica.

Una de esas opciones, sería almacenar electricidad en forma de calor blanco incandescente, como el de un filamento de bombilla. Este calor se puede convertir en electricidad al convertir el resplandor blanco mediante energía fotovoltaica, creando un sistema de almacenamiento de energía completamente libre de gases de efecto invernadero.

"Este sistema no puede funcionar si las tuberías tienen una temperatura limitada y tienen una vida útil corta, "agrega Henry." Ahí es donde entramos nosotros, ahora tenemos los materiales que pueden hacer que las cosas funcionen a temperaturas increíblemente altas ".

La capacidad sin precedentes de la bomba de Henry para minimizar las emisiones de gases de efecto invernadero va más allá de alterar la infraestructura de las plantas solares. También espera usar la bomba para cambiar la forma en que se produce el hidrógeno.

Hidrógeno, que se utiliza para hacer fertilizantes, se crea al reaccionar el metano con agua, produciendo dióxido de carbono. Henry está investigando un método de producción de hidrógeno completamente nuevo que implicaría calentar el estaño lo suficientemente caliente como para dividir el metano directamente y crear hidrógeno. sin introducir otros productos químicos ni producir dióxido de carbono. En lugar de emitir dióxido de carbono, Las partículas sólidas de carbono se formarían y flotarían sobre la superficie del líquido. Este carbono sólido es algo que luego podría venderse para varios propósitos.

Conversión de contaminantes en materiales valiosos

Capturar gases de efecto invernadero y convertirlos en algo útil es un objetivo compartido por Betar Gallant, profesor asistente de ingeniería mecánica.

El Acuerdo de París, que busca minimizar las emisiones de gases de efecto invernadero a escala global, declaró que los países participantes deben considerar todos los gases de efecto invernadero, incluso los emitidos en pequeñas cantidades. Estos incluyen gases fluorados como hexafluoruro de azufre y trifluoruro de nitrógeno. Muchos de estos gases se utilizan en la fabricación de semiconductores y procesos metalúrgicos como la producción de magnesio.

Los gases fluorados tienen hasta 23, 000 veces el potencial de calentamiento global del dióxido de carbono y tienen una vida útil de miles de años. "Una vez que emitimos estos gases fluorados, son virtualmente indestructibles, "dice Gallant.

Sin normativa vigente sobre estos gases, su liberación podría tener un impacto duradero en nuestra capacidad para reducir el calentamiento global. Tras la ratificación del Acuerdo de París, Gallant vio una ventana de oportunidad para utilizar su experiencia en electroquímica para capturar y convertir estos contaminantes dañinos.

"Estoy buscando mecanismos y reacciones para activar y convertir contaminantes dañinos en materiales almacenables benignos o en algo que pueda reciclarse y usarse de una manera menos dañina, " ella explica.

Su primer objetivo:gases fluorados. Usando voltaje y corrientes junto con la química, ella y su equipo buscaron acceder a un nuevo espacio de reacción. Gallant creó dos sistemas basados ​​en la reacción entre estos gases fluorados y el litio. El resultado fue un cátodo sólido que se puede utilizar en baterías.

"Identificamos una reacción para cada uno de esos dos gases fluorados, pero seguiremos trabajando en eso para descubrir cómo se pueden modificar estas reacciones para manejar la captura a escala industrial y grandes volúmenes de materiales, " ella agrega.

Gallant utilizó recientemente un enfoque similar para capturar y convertir las emisiones de dióxido de carbono en cátodos de carbono.

"Nuestra pregunta central era:¿Podemos encontrar una manera de sacar más valor del dióxido de carbono incorporándolo a un dispositivo de almacenamiento de energía?" ella dice.

En un estudio reciente, Gallant primero trató dióxido de carbono en una solución de amina líquida. Esto provocó una reacción que creó una nueva fase líquida que contiene iones, que fortuitamente también podría usarse como electrolito. Luego, el electrolito se usó para ensamblar una batería junto con metal de litio y carbono. Al descargar el electrolito, el dióxido de carbono podría convertirse en un carbonato sólido mientras entrega una potencia de salida de aproximadamente tres voltios.

A medida que la batería se descarga continuamente, se come todo el dióxido de carbono y lo convierte constantemente en un carbonato sólido que se puede almacenar, remoto, or even charged back to the liquid electrolyte for operation as a rechargeable battery. This process has the potential for reducing greenhouse gas emissions and adding economic value by creating a new usable product.

The next step for Gallant is taking the understandings of these reactions and actually designing a system that can be used in industry to capture and convert greenhouse gases.

"Engineers in this field have the know-how to design more efficient devices that either capture or convert greenhouse gas emissions before they get released into the environment, " she adds. "We started by building the chemical and electrochemical technology first, but we're really looking forward to pivoting next to the larger scale and seeing how to engineer these reactions into a practical device."

Closing the carbon cycle

Designing systems that capture carbon dioxide and convert it back to something useful has been a driving force in Ahmed Ghoniem's research over the past 15 years. "I have spent my entire career on the environmental impact of energy and power production, " says Ghoniem, the Ronald C. Crane Professor of Mechanical Engineering.

In the 1980s and 1990s, the most pressing issue for researchers working in this sphere was creating technologies that minimized the emission of criteria pollutants like nitric oxides. These pollutants produced ozone, particular matter, and smog. Ghoniem worked on new combustion systems that significantly reduced the emission of these pollutants.

Since the turn of the 21st century, his focus shifted from criteria pollutants, which were successfully curbed, to carbon dioxide emissions. The quickest solution would be to stop using fossil fuels. But Ghoniem acknowledges with 80 percent of energy production worldwide coming from fossil fuels, that's not an option:"The big problem really is, how do we continue using fossil fuels without releasing so much carbon dioxide in the environment?"

En años recientes, he has worked on methods for capturing carbon dioxide from power plants for underground storage, and more recently for recycling some of the captured carbon dioxide into useful products, like fuels and chemicals. The end goal is to develop systems that efficiently and economically remove carbon dioxide from fossil fuel combustion while producing power.

"My idea is to close the carbon cycle so you can convert carbon dioxide emitted during power production back into fuel and chemicals, " he explains. Solar and other carbon-free energy sources would power the reuse process, making it a closed loop system with no net emissions.

In the first step, Ghoniem's system separates oxygen from air, so fuel can burn in pure oxygen—a process known as oxy-combustion. When this is done, the plant emits pure carbon dioxide that can be captured for storage or reuse. Para hacer esto, Ghoniem says, "We've developed ceramic membranes, chemical looping reactors, and catalysts technology, that allow us to do this efficiently."

Using alternative sources of heat, como la energía solar, the reactor temperature is raised to just shy of 1, 000 C to drive the separation of oxygen. The membranes Ghoniem's group are developing allow pure oxygen to pass through. The source of this oxygen is air in oxy-combustion applications. When recycled carbon dioxide is used instead of air, the process reduces carbon dioxide to carbon monoxide that can be used as fuel or to create new hydrocarbon fuels or chemicals, like ethanol which is mixed gasoline to fuel cars. Ghoniem's team also found that if water is used instead of air, it is reduced to hydrogen, another clean fuel.

The next step for Ghoniem's team is scaling up the membrane reactors they've developed from something that is successful in the lab, to something that could be used in industry.

Manufacturing, human behavior, and the so-called "re-bound" effect

While Henry, Gallant, Ghoniem, and a number of other MIT researchers are developing capture and reuse technologies to minimize greenhouse gas emissions, Professor Timothy Gutowski is approaching climate change from a completely different angle:the economics of manufacturing.

Gutowski understands manufacturing. He has worked on both the industry and academic side of manufacturing, was the director of MIT's Laboratory for Manufacturing and Productivity for a decade, and currently leads the Environmentally Benign Manufacturing research group at MIT. His primary research focus is assessing the environmental impact of manufacturing.

"If you analyze the global manufacturing sector, you see that the making of materials is globally bigger than making products in terms of energy usage and total carbon emitted, " Gutowski says.

As economies grow, the need for material increases, further contributing to greenhouse gas emissions. To assess the carbon footprint of a product from material production through to disposal, engineers have turned to life-cycle assessments (LCA). These LCAs suggest ways to boost efficiency and decrease environmental impact. Pero, according to Gutowski, the approach many engineers take in assessing a product's life-cycle is flawed.

"Many LCAs ignore real human behavior and the economics associated with increased efficiency, " Gutowski says.

Por ejemplo, LED light bulbs save a tremendous amount of energy and money compared to incandescent light bulbs. Rather than use these savings to conserve energy, many use these savings as a rationale to increase the number of light bulbs they use. Sports stadiums in particular capitalize on the cost savings offered by LED light bulbs to wrap entire fields in LED screens. In economics, this phenomenon is known as the "rebound effect."

"When you improve efficiency, the engineer may imagine that the device will be used in the exact same way as before and resources will be conserved, " explains Gutowski. But this increase in efficiency often results in an increase in production.

Another example of the rebound effect can be found in airplanes. Using composite materials to build aircrafts instead of using heavier aluminum can make airplanes lighter, thereby saving fuel. Rather than utilize this potential savings in fuel economy to minimize the impact on the environment, sin embargo, companies have many other options. They can use this potential weight savings to add other features to the airplane. These could include, increasing the number of seats, adding entertainment equipment, or carrying more fuel to increase the length of the journey. En el final, there are cases were the composites airplane actually weighs more than the original aluminum airplane.

"Companies often don't think 'I'm going to save fuel'; they think about ways they can economically take advantage of increased efficiency, " Gutowski.

Gutowski is working across disciplines and fields to develop a better understanding of how engineers can improve life cycle assessment by taking economics and human behavior into account.

"The goal is to implement policies so engineers can continue to make improvements in efficiency, but these improvements actually result in a benefit to society and reduce greenhouse gas emissions, " el explica.

A global problem

The diversity of approaches to tackling climate change is reflective of the size of the problem. No one technology is going to act as a panacea for minimizing greenhouse gas emissions and staying below the crucial 1.5 C global temperature increase threshold outlined by the U.N.

"Remember, global warming is a global problem, " says Ghoniem. "No one country can solve it by itself, we must do it together."

In September 2019, the U.N. Climate Summit will convene and challenge nations across the world to throw their political and economic weight behind solving climate change. A menor escala, MIT is doing its part to minimize its environmental impact.

Last spring, Gutowski and Julie Newman, director of sustainability at MIT, co-taught a new class entitled 2.S999 (Solving for Carbon Neutrality at MIT). Teams of students proposed realistic scenarios for how MIT can achieve carbon neutrality. "The students were doing real work on finding ways MIT can keep our carbon down, " recalls Gutowski.

Whether it's a team of students in class 2.S999 or the upcoming U.N. Climate Summit, finding ways to minimize greenhouse gas emissions and curtail climate change is a global responsibility.

"Unless we all agree to work on it, invest resources to develop and scale solutions, and collectively implement these solutions, we will have to live with the negative consequences, " Ghoniem says.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.