Los investigadores han desarrollado un método para producir amoníaco simplemente a partir de aire y agua. No sólo es más eficiente energéticamente que el centenario proceso Haber-Bosch que se utiliza actualmente en todo el mundo, sino que también es más ecológico.
El amoníaco -compuesto por tres partes de hidrógeno y una de nitrógeno (o NH3)- ha tenido un impacto trascendental en la sociedad. Sin la producción masiva de este producto químico, se calcula que hasta un tercio de nosotros no estaría vivo. Esto se debe a que su uso principal es la fabricación de fertilizantes, que han ayudado a mejorar el rendimiento de las cosechas y a sostener a una gran población.
Desarrollado en 1909, el proceso Haber-Bosch -a menudo citado como el invento más importante del siglo XX- consiste en calentar nitrógeno e hidrógeno gaseoso purificado a muy alta temperatura y presión en presencia de un catalizador de hierro. La presencia del catalizador, que no interviene en la reacción pero reduce el umbral energético de la misma, es vital. A pesar de ello, la producción de amoníaco -unos 140 millones de toneladas en 2012- consume casi el 2% del suministro mundial de energía.
Además de las grandes necesidades energéticas para lograr las condiciones de reacción, el método de producción actual es ineficiente porque necesita gas hidrógeno, que se obtiene procesando gas natural. El subproducto del proceso es el dióxido de carbono. Stuart Licht y sus colegas de la Universidad George Washington pensaron que podían hacerlo mejor si encontraban una forma de utilizar agua en lugar de gas natural como fuente de hidrógeno.
Los intentos anteriores de combinar agua (compuesta por dos partes de hidrógeno y una de oxígeno) con aire (que consta de un 78% de nitrógeno) para formar amoníaco han tenido menos éxito. La solución de Licht consistió en hacer burbujear aire húmedo a través de una mezcla de diminutas partículas de óxido de hierro y productos químicos fundidos (formados por hidróxido de sodio y potasio) que se bombardean con electricidad.
Cualquier reacción química consiste básicamente en el intercambio de electrones entre átomos. En este caso, esos electrones son necesarios para separar el hidrógeno del agua y combinarlo con el nitrógeno. «Cuando se aplica la electricidad, el óxido de hierro captura los electrones para permitir que el agua y el aire reaccionen directamente para formar amoníaco», dijo Licht.
Este método afirma utilizar sólo dos tercios de la energía del proceso Haber-Bosch. Junto con la eliminación de la necesidad de producir hidrógeno a partir de gas natural, las emisiones totales se reducen de forma bastante significativa. Todo el proceso también se lleva a cabo en condiciones más suaves, sin requerir 450°C y 200 veces la presión atmosférica como el proceso Haber-Bosch.
Esto no es lo único que hace atractivo el método de Licht. Parte de la energía se obtiene a través de otra tecnología que Licht ha desarrollado, llamada producción electroquímica térmica solar, o STEP. Está considerada como una de las células solares más eficientes que se utilizan actualmente. STEP, cuando se aplica a la fabricación de amoníaco, conduce a la producción de hidrógeno como subproducto.
Este subproducto sería adecuado para las pilas de combustible de hidrógeno, otra vía popular para los entusiastas de la energía limpia, según David Fermin, profesor de electroquímica de la Universidad de Bristol. «El hidrógeno generado de esta manera es significativamente más limpio», dijo.
Sin embargo, una cosa es demostrar el éxito de la producción química en los laboratorios y otra muy distinta es replicarla a escala industrial. Licht admite que hay margen de mejora, pero confía en que pueda funcionar. Fermín tiene una advertencia que añadir: «Antes de ir a por la escala completa, se requerirá una mejor comprensión del mecanismo en esta compleja reacción de transferencia de múltiples electrones»
Pero incluso con el método de Licht, Fermín señala que estamos muy lejos de poder replicar la eficiencia de la naturaleza en la conversión del nitrógeno del aire en productos químicos útiles, lo que hacen las bacterias fijadoras de nitrógeno. «Lo que es realmente notable es que la naturaleza lo hace de forma increíblemente eficiente a baja temperatura», añade Fermín.
Y, sin embargo, si algo más eficiente puede sustituir al proceso Haber-Bosch, disminuiría el aporte energético de la producción de uno de los productos químicos más importantes del mundo y supondría una notable reducción de las emisiones globales de CO2.