Patear y atrapar

Mar 21, 2023

Jess Adkins y Lori Dajose esperando bajo la lluvia en el estacionamiento de Los Ángeles. Cortesía de A. Hartmann

Incluso una tormenta de enero en Los Ángeles no pudo apagar el espíritu del equipo de cuatro personas que conforma Calcarea, una empresa emergente de secuestro de carbono cofundada por el geoquímico de Caltech Jess Adkins. Pero se mojaron, muy mojados.

El 9 de enero, en medio de un aguacero torrencial, el grupo se paró en un estacionamiento de la USC con cascos y chalecos amarillos mientras los camiones entregaban los componentes de un reactor químico que algún día podría limpiar el exceso de dióxido de carbono en la atmósfera de la Tierra mediante la captura de emisiones de gases transoceánicos. envío. La fuerte lluvia se convirtió en una ocurrencia tardía para Adkins y sus colegas Melissa Gutiérrez (BS '19), Pierre Forin y Troy Gunderson, cuyo entusiasmo era palpable. "Mientras no haya relámpagos", señaló Adkins.

Los miembros del equipo de Calcarea Jess Adkins, Pierre Forin y Melissa Gutierrez (BS '19) esperan la entrega de su prototipo bajo la lluvia. Cortesía de A. Hartmann

Los esfuerzos de captura y almacenamiento de carbono se han centrado durante mucho tiempo en la atmósfera de la Tierra, con empresas que eliminan el dióxido de carbono del aire y lo almacenan bajo tierra. Si bien es efectivo, el proceso consume mucha energía y, por lo tanto, es costoso. Calcarea y otra nueva empresa nueva afiliada a Caltech, Captura, son dos de un puñado de empresas que adoptan un enfoque diferente al cambiar su enfoque a los océanos.

La eliminación de carbono oceánico es beneficiosa para la biosfera oceánica, donde el aumento de los niveles de dióxido de carbono ha destruido franjas de ecosistemas marinos a través de la acidificación de los océanos, y también mejora la capacidad natural del océano para extraer dióxido de carbono de la atmósfera a través de procesos de equilibrio. Si bien Captura planea eliminar el carbono del océano directamente, el equipo de Calcarea tiene como objetivo limpiar el gas de combustión directamente de los buques de carga para almacenar de forma segura y permanente el dióxido de carbono en el océano imitando los procesos naturales de la Tierra para hacer que el dióxido de carbono reaccione con la piedra caliza para producir iones de bicarbonato.

Luego de una demostración de un prototipo inicial en el laboratorio, el reactor ampliado de Calcarea se fabricó en Houston. Y así, en ese día lluvioso de enero, el equipo se reunió para ensamblarlo y probarlo en un estacionamiento al aire libre sin pretensiones en el borde del campus de la USC. Aunque el equipo programó la entrega meses antes de que se pronosticaran tormentas para ese día, el grupo aún estaba decidido a terminar el trabajo. Después de una pausa en la actividad, Gunderson, un oceanógrafo, se acercó y dio malas noticias: el último camión del día, que transportaba la cuna del reactor mismo, se había averiado. Adkins sonrió y sacudió la cabeza. "Por supuesto que sí", dijo.

Adkins, el CEO, nunca había liderado una empresa nueva hasta Calcarea, pero se sintió obligado a dar el salto debido a la urgencia apremiante del cambio climático provocado por el hombre y sus consecuencias. Durante los últimos 200 años, los seres humanos han descubierto cómo obtener abundante energía eficiente mediante la quema de hidrocarburos como el petróleo y el gas, lo que ha permitido una transformación social acelerada rápidamente. Pero las consecuencias de este progreso, un clima cambiante y cada vez más cálido, han sido costosas para nuestro planeta y para las personas de todo el mundo, en particular para las comunidades vulnerables, como las naciones en desarrollo.

La actividad humana ha emitido, en total, 400 gigatoneladas de dióxido de carbono. Alrededor de un tercio de eso se ha asentado en la atmósfera, donde atrapa el calor y provoca el calentamiento global. Otro tercio lo ocupa la biosfera superficial: suelo, rocas y plantas que utilizan dióxido de carbono para la fotosíntesis. Mientras tanto, el último tercio se sumerge en el océano.

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Para tener la posibilidad de evitar daños catastróficos a la salud humana y al planeta, el Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC) ha determinado que debemos evitar que el planeta se caliente en más de 1,5 grados centígrados. Según los modelos del IPCC, esto solo se puede lograr cambiando a energías renovables e iniciando prácticas de captura y almacenamiento de carbono para limpiar el desorden de las emisiones que contaminan el planeta. Este enfoque dual es necesario porque incluso si mañana se eliminara el uso de combustibles fósiles, todavía se deben abordar las 400 gigatoneladas de dióxido de carbono que ya se han liberado. Según el IPCC, eso significa eliminar 2 gigatoneladas por año.

"Ya no es suficiente descarbonizar la economía solo cambiando a energías renovables", dice Adkins. “Podríamos haberlo hecho si hubiéramos comenzado antes, pero no lo hicimos, y ahora tenemos que sacar el dióxido de carbono de la atmósfera y también tenemos que descarbonizar la economía”.

Esta crisis existencial urgente, junto con los nuevos fondos disponibles para la captura y eliminación de carbono, ha motivado a investigadores de todo el mundo a buscar nuevas ideas atrevidas: algunas en estacionamientos y garajes, y otras en sus propios hogares. Captura, la otra nueva empresa surgida de Caltech que tiene como objetivo descarbonizar los océanos, probó sus primeros prototipos en la piscina del patio trasero del cofundador Harry Atwater, presidente de la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Caltech.

"Mi hijo acababa de graduarse de la universidad y estaba buscando un proyecto de bioquímica", dice Atwater. "Acabábamos de recibir fondos para desarrollar los primeros prototipos de nuestra tecnología, así que le dije: 'Oye, ¿por qué no nos tomamos un par de meses y nos divertimos un poco con esto? Lo instalaremos en la piscina del patio trasero. pool'". Desde sus orígenes en el patio trasero, Captura ha ganado millones de dólares en financiamiento y premios para hacer realidad su tecnología.

El estudiante graduado de Caltech Éowyn Lucas (MS '19), miembro del equipo de Captura, desarrolla materiales que capturan dióxido de carbono directamente del agua del océano. Cortesía de Bob Paz

El objetivo principal del esfuerzo de limpieza de Calcarea es la industria naviera. Si bien los automóviles y los hogares a menudo pueden alimentarse fácilmente con electricidad limpia generada por el viento y el sol, no existen fuentes eficientes de energía renovable para los buques de carga que impulsan nuestra economía global. Los buques de carga representan el 3 por ciento, o 1 gigatonelada, de las emisiones globales de carbono por año. Enfocar los esfuerzos para capturar carbono de este sector, por lo tanto, podría ponernos al alcance de eliminar las 2 gigatoneladas por año que requieren los modelos del IPCC.

La tecnología Calcarea se inspiró en los procesos naturales que ya ocurren en la Tierra. Durante largos períodos de tiempo, el gas de dióxido de carbono en los océanos reacciona con las capas de piedra caliza (CaCO3) en el lecho marino en un proceso llamado compensación de carbonato. La reacción transforma el dióxido de carbono y produce iones de calcio y bicarbonato. De esta manera, la naturaleza equilibra sus niveles de dióxido de carbono de forma natural. Si los humanos desaparecieran de la Tierra mañana, los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera volverían a establecerse en aproximadamente 280 partes por millón desde nuestro nivel actual de 421 por millón, aunque llevaría decenas de miles de años hacerlo.

Durante casi una década antes de comenzar Calcarea, los investigadores del Laboratorio Adkins trabajaron para comprender la cinética de la erosión de la piedra caliza con la creencia de que acelerar este proceso podría impulsar los procesos de secuestro de carbono natural del planeta. Si bien descubrieron una enzima que podría catalizar el proceso en el laboratorio, también se dieron cuenta de que en concentraciones suficientemente altas de dióxido de carbono (5 por ciento), la reacción de meteorización ocurriría mucho más rápido. El gas de combustión de los buques de carga cumple con esa barra, y los barcos pueden transportar fácilmente la piedra caliza necesaria para impulsar la reacción, incluso sin el catalizador.

Adkins comenzó a reunir un equipo y a organizar un año sabático de Caltech para centrarse en convertir la erosión acelerada de la piedra caliza en una tecnología viable de captura de carbono que podría venderse a grandes compañías navieras para que la instalen en sus barcos. Reclutó al ingeniero Forin, que trabajaba en la industria del transporte marítimo ecológico en Noruega, y al ex estudiante de Caltech Gutiérrez. Luego, los tres se separaron de Calcarea con el cofundador, profesor de la USC y biogeoquímico Will Berelson.

"Un aspecto importante de mi trabajo es la justicia ambiental", dice Gutiérrez, quien realizó investigaciones en el laboratorio de Adkins durante sus años de pregrado en Caltech. "Queremos asegurarnos de que Calcarea esté construyendo relaciones con las comunidades locales, como las personas que viven cerca de los puertos donde estamos instalando nuestros prototipos, y los grupos de políticas ambientales para garantizar su participación y aceptación de lo que estamos haciendo. "

El equipo diseñó un reactor químico que podría burbujear el gas de escape de los buques de carga en un tanque lleno de piedra caliza y agua de mar que fluye, eliminando el dióxido de carbono de las emisiones del barco y produciendo agua salada en su lugar. La tecnología de Calcarea debería poder eliminar hasta el 75 por ciento del dióxido de carbono de las emisiones de un buque de carga determinado.

"Durante COVID, trabajando solo en la parte trasera de mi garaje, me metí en mi propia cabeza preguntándome qué es lo más importante en lo que podría trabajar en este momento", recuerda Adkins. "No me malinterpreten: las preguntas sobre los ciclos glaciales y los corales y el ciclo del azufre todavía me sacan de la cama por la mañana. Pero ninguno de ellos es tan importante como el secuestro de dióxido de carbono a gran escala. Vamos a tratar de resolver el problema o no lo somos".

Como electroquímico, Harry Atwater de Captura aborda el problema de la captura de carbono desde un ángulo diferente. La empresa utiliza un proceso electroquímico para filtrar el agua de mar y eliminar el gas de dióxido de carbono. Aunque los bancos de laboratorio de Captura están lejos del océano, se pueden ver patrones de sal cristalina dejados por el agua de mar de los experimentos en todo el espacio de trabajo de la empresa en Pasadena, lo que deja un recordatorio físico del objetivo final de la empresa: desplegar su tecnología en el mar.

Cuando el dióxido de carbono es absorbido por el océano, sufre reacciones químicas con el agua para cambiar de un gas disuelto a sales iónicas, un proceso que ocurre debido al nivel de pH del agua de mar de 8.1. Una vez que ocurre esta transformación, se vuelve más difícil eliminar el carbono del agua. Es mucho más fácil sacar su forma gaseosa.

La base del sistema Captura es transformar el carbono en agua de mar, que está en forma de sales, nuevamente en gas de dióxido de carbono y luego secuestrar el gas. Esto se logra mediante la reducción temporal del pH de un volumen determinado de agua de mar. El pH del agua de mar se reduce de 8,1 a 4, lo que obliga al carbono a adoptar la forma de dióxido de carbono. Luego, el gas se extrae del agua y el equipo restaura el pH a un nivel ligeramente más básico de 8.2 antes de liberar el agua nuevamente al océano.

La modulación del pH es un componente fundamental del sistema Captura y depende de una membrana bipolar, que es una tecnología que divide el agua de mar (H2O) en protones acidificantes (H+) e hidroxilos "basificantes" (OH-). Chengxiang "CX" Xiang, profesor de investigación en Caltech y colaborador de mucho tiempo de Atwater, había estudiado cómo desarrollar membranas bipolares durante décadas. Él y Atwater fundaron Captura en 2021, cada uno invirtiendo su propio dinero en el proyecto con la creencia de que funcionaría. Hasta ahora, su inversión ha valido la pena. Con Xiang como director de tecnología y Atwater como director científico, Captura cerró recientemente una ronda de financiamiento Serie A de $12 millones, inmediatamente después de un premio de $1 millón en 2022 de la competencia XPRIZE Carbon Removal.

Se encargó un mayor desarrollo de la membrana bipolar a la estudiante graduada Éowyn Lucas. Mientras trabajaba en su doctorado, Lucas creó una membrana bipolar que es más eficiente y poderosa que cualquier otra actualmente en desarrollo. Se unirá al equipo de Captura a tiempo completo después de su graduación de Caltech a finales de este año.

"Pude crear estas membranas en el laboratorio, y ahora me pongo a trabajar para ampliarlas e implementarlas para resolver un problema muy importante del mundo real", dice. "Consideré otras rutas posibles después de mi doctorado, pero tenía que terminar este trabajo. Estoy emocionada pero nerviosa, nunca he dejado de ir a la escuela".

El mayor costo de escalar una tecnología de este tipo es la entrada de energía para ejecutar el proceso. El plan de Captura es instalar sus sistemas en plantas desalinizadoras para compartir su infraestructura energética y, una vez que la empresa crezca en capacidad, construir plataformas independientes de Captura. Actualmente, un pequeño prototipo está operando en el Laboratorio Marino Kerckhoff de Caltech en Newport Beach, donde elimina 1 tonelada de dióxido de carbono del agua de mar por año. Actualmente, el equipo está construyendo un sistema de kilotones que tendrá el tamaño de un contenedor de 40 pies, con el objetivo de construir un sistema que pueda secuestrar 1 millón de toneladas de dióxido de carbono cada año.

Tanto Captura como Calcarea están realizando controles de calidad en sus tecnologías y tratando de determinar todas las formas en que las cosas podrían salir mal a medida que amplían sus prototipos. Además de los desafíos tecnológicos, el océano es un ecosistema biogeoquímico complejo e interconectado, y muchos científicos han desconfiado de manipular el medio ambiente con el objetivo específico de compensar los efectos del cambio climático debido a la preocupación por sus posibles efectos secundarios imprevistos. Las preguntas abiertas para los dos equipos son cómo sus sistemas se amplían desde el banco de laboratorio hasta el océano y cómo el ecosistema de la superficie del océano podría verse perturbado por los subproductos de los sistemas Calcarea y Captura.

Sin embargo, Adkins cree que lo bueno potencial supera con creces lo malo. "Ya estamos perturbando el planeta al verter emisiones de carbono en la biosfera, y estamos viendo los efectos de eso ahora mismo", dice. "La meteorización acelerada de la piedra caliza simplemente está imitando lo que el medio ambiente ya hace para equilibrar su presupuesto de carbono".

De izquierda a derecha: Cory Atwater, CX Xiang, Ibadillah Digdaya y Harry Atwater de Captura parados frente al sistema piloto de la compañía en Newport Beach. Cortesía de XC Xiang

Para los empresarios que intentan salvar el planeta, hay miles de millones de dólares en fondos gubernamentales para proyectos como estos, y la industria también reconoce la importancia de luchar contra el cambio climático. La Ley de Reducción de la Inflación aprobada por el gobierno federal en 2022 asigna $ 370 mil millones para una miríada de proyectos relacionados con la sostenibilidad, como la descarbonización del transporte público, hacer que la fabricación sea más limpia y financiar proyectos de justicia climática para comunidades desatendidas.

"La eliminación de carbono es una tecnología que implica un despliegue significativo de capital y energía a escala", dice Atwater. "En 30 o 40 años, una gran cantidad de infraestructura en el mundo se dedicará a eliminar el dióxido de carbono. Los gobiernos han estado a la vanguardia en materia de políticas, pero, últimamente, los líderes de la industria han reconocido que para mantener su base de clientes , necesitan comprometerse con la descarbonización total de sus operaciones en las próximas décadas. Ese es un cambio realmente transformador".

Muchas empresas privadas reconocen la necesidad de combatir el cambio climático mediante la eliminación de carbono y la reducción de sus propias emisiones. Por ejemplo, Microsoft se comprometió a secuestrar la misma cantidad de carbono que ha emitido desde su fundación en 1975. Con estos ambiciosos objetivos, existe la necesidad de asociaciones entre los contaminantes industriales y las empresas de eliminación de carbono como Captura y Calcarea.

Tanto el gobierno como el sector privado están financiando y facilitando estas asociaciones, dando a estas empresas emergentes acceso a un flujo de ingresos y un camino hacia la rentabilidad. Captura, por ejemplo, recibió recientemente una promesa de $ 500,000 del mercado privado de carbono Frontier, que actúa como intermediario entre las empresas Fortune 500 que están tratando de descarbonizarse y las empresas que las ayudarán a hacerlo. Simultáneamente, el gobierno de EE. UU. actualizó un antiguo programa de crédito fiscal llamado 45Q para proporcionar pagos directos a las empresas a cambio de cada tonelada de dióxido de carbono secuestrada.

Un beneficio importante de las soluciones de captura de carbono propuestas por Captura y Calcarea es que son rentables. Mientras que los líderes actuales en la captura de carbono atmosférico pueden secuestrar dióxido de carbono por alrededor de $ 1,000 por tonelada, Calcarea puede hacerlo por $ 76 por tonelada, mientras que Captura pretende hacerlo por $ 65 por tonelada.

"En última instancia, lo que estamos tratando de hacer solo funciona cuando hay un balance económico", dice Adkins. "Las leyes ambientales y las políticas gubernamentales realmente pueden marcar una gran diferencia en la salud del planeta".

Además de la actualidad del problema, la infusión de nuevas fuentes de financiación está impulsando a muchos investigadores a entrar en el negocio de la captura de carbono. Ahora hay nuevos esfuerzos en marcha para cultivar algas marinas y algas, cambiar la circulación oceánica y mejorar la alcalinidad del océano. Los equipos de Caltech dicen que dan la bienvenida a esta competencia y creatividad.

"Necesitamos una diversidad de tácticas para enfrentar el inmenso desafío que es el cambio climático", dice Lucas. "Todos estamos tratando de obtener subvenciones y atraer a los mejores científicos, pero también nos animamos unos a otros".

Adkins agrega que el problema es demasiado importante como para no tener tanta gente trabajando en él como sea posible. "Mi enfoque se basa en mi origen como científico que estudia oceanografía y paleoclimas. El de Harry proviene de su formación en electroquímica. Hay una gran cantidad de carbono que secuestrar, así que todo está en juego. Llueva o truene".

Jess Adkins es profesor de Geoquímica y Ciencias Ambientales Globales de la Familia Smits. Se desempeña como director general de Calcarea.

Harry Atwater es el Presidente de Liderazgo Otis Booth de la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Caltech, profesor Howard Hughes de Física Aplicada y Ciencia de los Materiales, y director de Liquid Sunlight Alliance. Atwater es cofundador de Captura y se desempeña como director científico.