Científicos superan el “valle de la muerte” para las tecnologías de captura de carbono

Una de las mayores dificultades para que las tecnologías de emisiones cero combatan el cambio climático es salvar la brecha entre la investigación básica y su aplicación en el mundo real.

Esta brecha, a veces conocida como “el valle de la muerte”, es común en el campo de la captura de carbono, donde se utilizan materiales novedosos para eliminar el dióxido de carbono de los gases de combustión producidos por los procesos industriales. Esto evita que el carbono entre en la atmósfera, lo que ayuda a mitigar los efectos del cambio climático.

Los químicos han propuesto y sintetizado miles de materiales novedosos, como los marcos metal-orgánicos, con el objetivo específico de capturar la mayor cantidad posible de dióxido de carbono. Pero si bien los resultados pueden parecer prometedores en un entorno de laboratorio, es difícil saber qué tan efectivos serán estos materiales en escenarios reales. Como resultado, es poco probable que alguno cruce alguna vez el valle de la muerte.

Ahora, un equipo de científicos de la Universidad Heriot-Watt está detrás de una plataforma pionera llamada PrISMa (Proceso de diseño informado de materiales absorbentes a medida) que utiliza simulaciones avanzadas y aprendizaje automático para encontrar las combinaciones de procesos de captura de materiales más rentables y sostenibles antes de la implementación.

La plataforma y su investigación asociada se publicaron hoy (17 de julio) en la revista de renombre internacional, Nature.

La profesora Susana García dirigió el estudio y es la coordinadora del proyecto para PrISMa. También es la Directora Asociada de Captura, Utilización y Almacenamiento de Carbono (CCUS) en el Centro de Investigación para Soluciones del Carbono (RCCS) en la Universidad Heriot-Watt en Edimburgo, Escocia.

Ella explica: “En la última década, se ha dedicado una gran cantidad de esfuerzo a identificar materiales prometedores capaces de capturar CO₂.

“Los químicos han propuesto miles de materiales porosos novedosos, pero no teníamos las herramientas para evaluar rápidamente si alguno de esos materiales fuera prometedor para un proceso de captura de carbono. Evaluar estos materiales requiere una gran cantidad de datos experimentales y un conocimiento detallado del proceso de captura. Y una evaluación cuidadosa de la economía y el análisis del ciclo de vida del proceso.

“No podemos esperar que los químicos tengan todo ese conocimiento. Aquí es donde PrISMa puede marcar una gran diferencia. La plataforma PrISMa es una herramienta de modelado que integra diferentes aspectos de la captura de carbono, incluidos los materiales, el diseño de procesos, el análisis económico y la evaluación del ciclo de vida. Usamos química cuántica, simulación molecular y aprendizaje automático para predecir, para nuevos materiales, todos los datos necesarios para diseñar un proceso. Alternativamente, podemos utilizar los datos experimentales de los materiales sintetizados en un laboratorio. La plataforma luego evalúa su rendimiento en más de 60 estudios de caso diferentes de todo el mundo”.

La profesora García continúa: “Este enfoque innovador acelera el descubrimiento de materiales de alto rendimiento para la captura de carbono, superando los métodos tradicionales de ensayo y error. La plataforma también puede informar a las diferentes partes interesadas brindando a los ingenieros opciones para identificar los factores económicos y ambientales desafiantes en la fase de diseño de tecnologías de captura óptimas, objetivos de diseño molecular para los químicos y puntos críticos ambientales para los materiales, beneficios de integración local para los productores de CO₂ y las mejores ubicaciones para los inversores”.

PrISMa ya está dando resultados impresionantes, ya que la plataforma se ha utilizado para simular con precisión la implementación de tecnologías de captura de carbono en plantas de cemento ubicadas en diferentes regiones del mundo. Encontró materiales adecuados para cada ubicación, reduciendo los costos a la mitad en comparación con las tecnologías anteriores.

PrISMa también ofrece una herramienta interactiva que permite a los usuarios explorar el potencial de más de 1200 materiales para aplicaciones de captura de carbono.

“Identificar más materiales de captura de carbono de alto rendimiento aumenta la probabilidad de que algunos de ellos avancen al siguiente Nivel de Madurez Tecnológica”, continúa la profesora García.

Fergus Mcilwaine, un estudiante de doctorado que lidera las actividades de aprendizaje automático en el equipo de la profesora García, agregó: “La detección de una cantidad tan grande de materiales requiere inmensas cantidades de tiempo computacional. Desarrollamos un modelo de aprendizaje automático que acelera significativamente este proceso, lo que nos permite descubrir materiales rentables a partir de enormes espacios de diseño químico”.

PrISMa ha sido liderado por la Universidad Heriot-Watt en asociación con científicos del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausana (EPFL) y la ETH Zurich, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y la Universidad de California en Berkeley en los Estados Unidos, y el Institut des Matériaux Poreux de Paris en Francia. El proyecto ha recibido financiación del Programa ACT, la Fundación Grantham para la Protección del Medio Ambiente y el Centro de Investigación e Innovación en Descarbonización Industrial (IDRIC).

La profesora García concluyó: “Este estudio destaca la necesidad de seguir un enfoque holístico al evaluar las tecnologías para lograr nuestros objetivos de emisiones cero. La plataforma acelera el descubrimiento de materiales para aplicaciones de captura de carbono y enfoca los esfuerzos de investigación y desarrollo hacia objetivos de rendimiento alcanzables a escala.

“La herramienta puede ayudar enormemente a nuestros actuales esfuerzos de descarbonización industrial. Puede desempeñar un papel clave en la información de estrategias de inversión y decisiones políticas sobre soluciones de captura de carbono más sostenibles y rentables”.