Este verano fue el más caluroso jamás registrado en la Tierra, y 2023 va camino de ser el año más caluroso. Las olas de calor amenazaron la salud de las personas en América del Norte, Europa y Asia. Canadá tuvo la peor temporada de incendios forestales de su historia y las llamas devastaron la ciudad de Lahaina en Maui. Los Ángeles fue azotada por una tormenta tropical de verano sin precedentes, mientras que las lluvias en Libia causaron inundaciones devastadoras que dejaron miles de muertos y desaparecidos. Este clima extremo es una señal de advertencia de que vivimos en una crisis climática y un llamado a la acción.

Las emisiones de dióxido de carbono provenientes de la quema de combustibles fósiles son el principal culpable del cambio climático, y los científicos dicen que deben controlarse. Pero hay otro gas de efecto invernadero con el que lidiar: el metano. Abordar el metano puede ser la mejor apuesta para frenar el aumento de las temperaturas en el corto plazo, dice Rob Jackson, científico de sistemas terrestres de la Universidad de Stanford y presidente del Proyecto Global de Carbono, que rastrea las emisiones de gases de efecto invernadero. "El metano es la palanca más poderosa que tenemos para frenar el calentamiento global en las próximas décadas".

Esto se debe a que su vida en la atmósfera es relativamente corta: el metano dura unos 12 años, mientras que el CO₂ puede permanecer en la atmósfera durante cientos de años. Y molécula por molécula, el metano es más potente. Durante los 20 años posteriores a su emisión, el metano puede calentar la atmósfera más de 80 veces más que una cantidad equivalente de CO₂ .

Ya tenemos estrategias para reducir las emisiones de metano: arreglar las fugas de gas natural (el metano es el componente principal del gas natural), eliminar gradualmente el carbón (las operaciones mineras liberan metano), comer menos carne y lácteos (las vacas eructan mucho metano) y electrificar el transporte. y electrodomésticos. La implementación de todas las estrategias existentes de mitigación del metano podría ralentizar el calentamiento global en un 30 por ciento durante la próxima década, según ha demostrado una investigación.

Pero algunos científicos del clima, incluido Jackson, dicen que debemos ir más allá. Varias fuentes de metano serán difíciles, si no imposibles, de eliminar. Eso incluye algunas emisiones causadas por el hombre, como las producidas por los arrozales y la ganadería, aunque existen prácticas para reducir estas emisiones (SN: 28/11/15, p. 22). Algunas fuentes naturales están a punto de liberar más metano a medida que el mundo se calienta. Hay indicios de que los humedales tropicales ya están liberando más gas a la atmósfera, y el rápido calentamiento en el Ártico podría convertir el permafrost en un punto caliente para los microbios productores de metano y liberar una bomba de metano almacenado en el suelo actualmente congelado.

Por eso los científicos quieren desarrollar formas de eliminar el metano directamente del aire.

Actualmente existen en la atmósfera tres mil millones de toneladas métricas más de metano que en la época preindustrial. Eliminar ese exceso de metano enfriaría el planeta 0,5 grados Celsius, dice Jackson.

En aumento

Durante los últimos 40 años, la concentración de metano en la atmósfera ha aumentado constantemente, con una pausa a finales de los años 1990 y 2000. En general, la cantidad de metano en la atmósfera se ha más que duplicado en los últimos 200 años.

Concentraciones medias mundiales de metano, 1983-2023

Un gráfico de líneas muestra las concentraciones promedio globales de metano desde 1983 hasta 2023. La concentración aumenta con el tiempo.

NOAA

Estrategias similares de “emisiones negativas” ya se utilizan de forma limitada para el CO₂. Ese gas se captura en el lugar donde se emite, o directamente desde el aire, y luego se almacena en algún lugar. El metano, sin embargo, es una molécula difícil de capturar, lo que significa que los científicos necesitan enfoques diferentes.

La mayoría de las ideas aún se encuentran en las primeras etapas de investigación. Las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina están estudiando actualmente estas tecnologías potenciales, su estado de preparación y sus posibles riesgos, y qué más investigación y financiación se necesitan. Algunos de los enfoques incluyen la reingeniería de bacterias que ya son profesionales en consumir metano y el desarrollo de reactores catalíticos para colocarlos en respiraderos de minas de carbón y otros lugares ricos en metano para transformar químicamente el gas.

“El metano es una carrera de velocidad y el CO₂ es un maratón”, dice Desirée Plata, ingeniera civil y ambiental del MIT. Para los científicos centrados en eliminar los gases de efecto invernadero, la carrera está en marcha.

Los microbios ya eliminan el metano del aire

El metano, CH₄ , se descompone fácilmente en la atmósfera, donde abundan la luz solar y los radicales hidroxilo altamente reactivos. Pero la historia es diferente cuando los químicos intentan trabajar con la molécula. Los cuatro enlaces carbono-hidrógeno del metano son fuertes y estables. Actualmente, los químicos deben exponer el gas a temperaturas y presiones extremadamente altas para descomponerlo.

Incluso conseguir el gas es complicado. A pesar de su potente poder de calentamiento, está presente en bajas concentraciones en la atmósfera. Sólo 2 de cada millón de moléculas de aire son metano (en comparación, alrededor de 400 de cada millón de moléculas de aire son CO₂). Por lo tanto, es un desafío capturar suficiente metano para almacenarlo o convertirlo de manera eficiente en otra cosa.

Los químicos de la naturaleza, sin embargo, pueden absorber y transformar metano incluso en estas condiciones desafiantes. Estos microbios, llamados metanótrofos, utilizan enzimas para consumir metano. La absorción global natural de metano por parte de los metanótrofos que viven en el suelo es de aproximadamente 30 millones de toneladas métricas por año. Compárese eso con los aproximadamente 350 millones de toneladas de metano que las actividades humanas bombearon a la atmósfera en 2022, según la Agencia Internacional de Energía.

Culpables del metano  

Los expertos estiman que en 2022 se liberaron a la atmósfera alrededor de 590 millones de toneladas métricas de metano. Alrededor del 60 por ciento de esas emisiones provinieron de actividades humanas.

Emisiones de metano en 2022, por fuente

Un gráfico de barras muestra las emisiones de metano en 2022 por fuente y codificadas por colores por causas naturales en verde o causas humanas en naranja. Los humedales emiten la mayor cantidad de metano por causas naturales.  La agricultura ocupa el segundo lugar (de origen totalmente humano) y la energía, en tercer lugar (también de origen totalmente humano y descompuesta por el petróleo, el gas natural, el carbón y la bioenergía).

C. CHANG. FUENTE: RASTREADOR GLOBAL DE METANO/IEA 2023

Los microbiólogos quieren saber si es posible lograr que estas bacterias absorban más metano más rápidamente.

Lisa Stein, microbióloga de la Universidad de Alberta en Edmonton, Canadá, estudia la genética y fisiología de estos microbios. "Hacemos investigación básica para comprender cómo prosperan en diferentes entornos", dice.

Los metanótrofos trabajan especialmente lentamente en ambientes con poco oxígeno, dice Stein, como la basura de los humedales y los vertederos, el tipo de lugares donde abunda el metano. En estos entornos, los microbios que producen metano, llamados metanógenos, generan el gas más rápido de lo que los metanótrofos pueden devorarlo.

Pero podría ser posible desarrollar enmiendas del suelo y otras modificaciones del ecosistema para acelerar la absorción microbiana de metano, dice Stein. También está hablando con científicos de materiales sobre cómo diseñar una superficie para alentar a los metanótrofos a crecer más rápido y así acelerar su consumo de metano.

Los científicos esperan superar este obstáculo con una comprensión más detallada de la enzima que ayuda a muchos metanótrofos a darse un festín con el metano. La metano monooxigenasa, o MMO, captura la molécula y, con la ayuda del cobre incrustado en la enzima, utiliza oxígeno para romper los enlaces carbono-hidrógeno del metano. En última instancia, la enzima produce metanol que luego los microbios metabolizan.

Aumentar la velocidad de MMO no sólo podría ayudar a eliminar el metano, sino que también permitiría a los ingenieros poner a trabajar metanótrofos en sistemas industriales. Convertir metano en metanol sería el primer paso, seguido de varias reacciones más rápidas, para fabricar un producto final como plástico o combustible.

Algunas bacterias, incluida Mmethylococcus capsulatus (en la imagen), descomponen naturalmente el metano con la enzima metano monooxigenasa. Al estudiar la estructura de la enzima, los científicos esperan acelerar la absorción del gas de efecto invernadero por parte de las bacterias. ANNE FJELLBIRKELAND/WIKIMEDIA COMMONS (CC BY 2.5)

“Las metanomonooxigenasas no son enzimas superrápidas”, dice Amy Rosenzweig, química de la Universidad Northwestern en Evanston, Illinois. Cualquier reacción que involucre MMO impondrá un límite de velocidad en los procedimientos. "Ese es el paso clave y, a menos que lo entiendas, será muy difícil lograr que un organismo modificado haga lo que tú quieres", dice Rosenzweig.

A las enzimas a menudo se les da forma para que se ajusten a sus reactivos (en este caso, metano) como un guante. Por lo tanto, tener una visión clara de la estructura física del MMO podría ayudar a los investigadores a modificar las acciones de la enzima. MMO está incrustado en una membrana lipídica de la célula. Para imaginarlo, los biólogos estructurales normalmente han comenzado usando detergentes para eliminar los lípidos, lo que inactiva la enzima y da como resultado una imagen incompleta de ella y su actividad. Pero Rosenzweig y sus colegas lograron recientemente obtener imágenes de la enzima en este contexto lipídico. Esta vista sin precedentes del MMO en su estado natal, publicada en 2022 en Science, reveló un sitio nunca antes visto donde se une el cobre.

Pero ese todavía no es el panorama completo. Rosenzweig dice que espera que sus estudios estructurales, junto con otros trabajos, conduzcan a un avance lo suficientemente pronto como para ayudar a prevenir mayores consecuencias del calentamiento global. "Tal vez la gente tenga suerte y cree una cepa rápidamente", dice Rosenzweig. "No lo sabes hasta que lo intentas".

Los químicos avanzan en los catalizadores

Otros científicos buscan colocar reactores químicos que destruyen metano cerca de fuentes de metano. Estos reactores suelen utilizar un catalizador para acelerar las reacciones químicas que convierten el metano en una molécula que calienta menos el planeta. Estos catalizadores a menudo requieren altas temperaturas u otras condiciones estrictas para funcionar, contienen metales costosos como el platino y no funcionan bien en las concentraciones de metano que se encuentran en el aire ambiente.

Sin embargo, un lugar prometedor para empezar son las minas de carbón. La minería del carbón está asociada con decenas de millones de toneladas de emisiones de metano en todo el mundo cada año. Aunque en muchos países se están eliminando gradualmente las centrales eléctricas alimentadas con carbón, será difícil eliminar el carbón por completo debido a su papel clave en la producción de acero, dice Plata, del MIT.

Para desarrollar un catalizador que pudiera funcionar en una mina de carbón, Plata se inspiró en MMO. Su equipo desarrolló un material catalizador basado en un material de silicato incrustado con cobre, el mismo metal que se encuentra en el MMO y mucho menos costoso que los que normalmente se requieren para oxidar el metano. El material también es poroso, lo que mejora la eficiencia del catalizador porque tiene una superficie mayor y, por lo tanto, más lugares para que ocurran reacciones que un material no poroso. El catalizador convierte el metano en CO₂ , una reacción que libera calor, que es necesario para impulsar aún más la reacción. Si las concentraciones de metano son lo suficientemente altas, la reacción será autosostenida, afirma Plata.

Convertir metano en CO₂ puede parecer contraproducente, pero reduce el calentamiento general porque el metano atrapa mucho más calor que el CO₂ y es mucho menos abundante en la atmósfera. Si todo el exceso de metano en la atmósfera se convirtiera en CO₂, según un estudio de 2019 dirigido por Jackson, se producirían solo 8.200 millones de toneladas adicionales de CO₂ , lo que equivale a solo unos pocos meses de emisiones de CO₂ al ritmo actual. Y el efecto neto sería reducir el calentamiento de la atmósfera en una sexta parte.

Los corrales de engorde de ganado son otro lugar donde podría funcionar el reactor catalítico de Plata. Los graneros equipados con ventiladores para mantener cómodo al ganado mueven el aire, por lo que se podrían instalar reactores en estos sistemas de ventilación. El siguiente paso es determinar si las concentraciones de metano en las granjas lecheras industriales son lo suficientemente altas como para que funcione el catalizador.

En Drumgoon Dairy en Dakota del Sur, Elijah Martin (izquierda) y Will Sawyer (derecha) prueban una unidad catalítica térmica a pequeña escala desarrollada en el laboratorio de Desirée Plata en el MIT. El reactor transforma metano en dióxido de carbono, lo que podría reducir la tasa de calentamiento neto del planeta porque el metano es un gas de efecto invernadero más fuerte. D. PLATA

Otro investigador que está avanzando es el científico e ingeniero energético Arun Majumdar, uno de los colaboradores de Jackson en Stanford. En enero, Majumdar publicó los resultados iniciales que describen un catalizador que convierte metano en metanol, con el impulso adicional de la luz ultravioleta de alta energía. Esta explosión de rayos ultravioleta agrega la energía necesaria para superar los enlaces rebeldes del CH₄, y el catalizador cuidadosamente diseñado se mantiene en el objetivo. Los diseños de catalizadores anteriores tendían a producir una mezcla de CO₂ y metanol, pero este catalizador se limita principalmente a producir metanol.

¿Es la geoingeniería un camino hacia la eliminación del metano?

Un enfoque más extremo para acelerar la descomposición natural del metano es cambiar la química de la atmósfera misma. Algunas empresas, como Blue Dot Change, con sede en Estados Unidos, han propuesto liberar sustancias químicas al cielo para mejorar la oxidación del metano.

Natalie Mahowald, química atmosférica de la Universidad de Cornell, decidió evaluar este tipo de geoingeniería.

"No estoy muy emocionado por lanzar más cosas a la atmósfera", dice Mahowald. Sin embargo, para cumplir los objetivos del Acuerdo de París, limitar el calentamiento global a entre 1,5 y 2 grados Celsius por encima del promedio preindustrial, vale la pena explorar todas las posibilidades, afirma. “Si queremos alcanzar estos objetivos”, afirma, “necesitaremos que algunas de estas ideas locas funcionen. Así que estoy dispuesto a verlo. Pero lo miro con el ojo crítico de un científico”.

La principal estrategia propuesta por sus defensores sería inyectar aerosoles de hierro en el aire sobre el océano en un día soleado. Estos aerosoles reaccionarían con los aerosoles marinos salados para formar cloro, que luego atacaría el metano en la atmósfera e iniciaría reacciones químicas adicionales que lo convertirían en CO₂. Mahowald se preguntó cuánto cloro se necesitaría y si podría haber consecuencias no deseadas.

El modelado detallado reveló algo alarmante. Las inyecciones de hierro podrían tener el efecto opuesto al deseado, informaron Mahowald y sus colegas en julio en Nature Communications. El cloro no atacará al metano si hay ozono cerca. En cambio, el cloro primero descompondrá todo el ozono que pueda encontrar. Pero el ozono desempeña un papel clave en la generación de radicales hidroxilo que descomponen naturalmente el metano atmosférico. Entonces, cuando los niveles de ozono caen, dice Mahowald, la concentración y la vida útil de las moléculas de metano en la atmósfera en realidad aumentan. Para utilizar esta estrategia para descomponer el metano, los geoingenieros necesitarían agregar una enorme cantidad de cloro a la atmósfera, suficiente para descomponer primero el ozono y luego atacar el metano.

Eliminar el 20 por ciento del metano de la atmósfera, reduciendo así la temperatura de la superficie del planeta en 0,2 grados Celsius para 2050, por ejemplo, requeriría crear alrededor de 630 millones de toneladas de cloro atmosférico cada año. Esto, a su vez, requeriría inyectar quizás decenas de millones de toneladas de hierro. Estos aerosoles de hierro, una forma de partículas, podrían empeorar la calidad del aire; La inhalación de partículas se asocia con una variedad de problemas de salud, particularmente enfermedades cardiovasculares y pulmonares. Esta modificación atmosférica también podría crear ácido clorhídrico que podría llegar al océano y acidificarlo.

Y no hay garantía de que parte del cloro no llegue hasta la capa de ozono, agotando el escudo planetario que nos protege de los dañinos rayos ultravioleta del sol. Mahowald todavía está estudiando esta posibilidad.

El metano es una carrera de velocidad y el CO₂ es una maratón.
 Desirée Plata

Mahowald se muestra ambivalente a la hora de investigar sobre geoingeniería. "Simplemente estamos descartando ideas porque estamos en una posición terrible, terrible", dice. Le preocupa lo que podría pasar si se escapara todo el metano encerrado en el permafrost del mundo. Si los científicos pueden descubrir cómo utilizar los aerosoles de hierro de manera efectiva, sin efectos adversos, y si la sociedad acepta dicha geoingeniería, es posible que la necesitemos.

“Solo estamos tratando de ver, ¿hay alguna esperanza de que esto funcione? ¿Querríamos hacerlo alguna vez? ¿Tendría suficientes beneficios para compensar las desventajas?

El comité organizado por las Academias Nacionales para investigar la eliminación de metano está teniendo en cuenta este tipo de cuestiones éticas, además de considerar el costo potencial y la escala de las tecnologías. Stein, miembro del comité, dice que un marco propuesto por Spark Climate Solutions proporciona cierta orientación. La organización, una organización sin fines de lucro con sede en San Francisco que evalúa tecnologías de eliminación de metano, propone invertir en tecnología que pueda eliminar decenas de millones de toneladas de metano por año en las próximas décadas, a un costo de menos de 2.000 dólares por tonelada. El cofundador de Spark, David Mann, dice que las cifras están diseñadas para centrar la atención y la inversión en tecnologías que pueden marcar una diferencia real a la hora de frenar el cambio climático en el corto plazo.

El grupo de Academias Nacionales tiene como objetivo hacer recomendaciones sobre las prioridades de investigación sobre tecnologías de eliminación de metano para el próximo verano. Es probable que sea necesaria una cartera de diferentes tecnologías. Lo que funciona en un corral de engorda para ganado puede no funcionar en una planta de tratamiento de aguas residuales, por ejemplo.

Los científicos centrados en la eliminación de metano están ansiosos por que más investigadores, financiación para investigaciones y empresas entren en juego, y rápidamente. "Ha sido un año loco", dice Jackson sobre el clima extremo de 2023. Ya estamos sintiendo los efectos del calentamiento global, pero podemos aprovechar el momento, afirma. “Este problema no es algo de nuestros nietos. Esta aquí."

CITAS

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