Aprovechar el agua y el CO2 de los tubos de escape para aumentar la producción alimentaria

¿Qué pasaría si tanto el agua como el dióxido de carbono (CO2) producidos por el sistema de escape de un vehículo pudieran capturarse y usarse para cultivar alimentos? Reutilizar estos dos productos desperdiciados sería un cambio de juego para reducir la huella de carbono del tráfico vial y ayudar a la industria agrícola a alimentar a una población humana en crecimiento.

Tres miembros de la facultad de la Universidad de Texas A&M, Maria Barrufet, Elena Castell-Perez y Rosana Moreira, han escrito un documento  técnico en el que informan de su análisis inicial y lo han publicado con la esperanza de obtener los fondos necesarios para realizar una investigación formal y multidisciplinaria sobre el proyecto.

"Comencé a leer la literatura relacionada e hice simulaciones de lo que era posible", dijo Barrufet, profesora y presidenta investida de Baker Hughes en el Departamento de Ingeniería del Petróleo de Harold Vance. “Esto es completamente realista. Ya se han escrito varias propuestas para aplicaciones de vehículos marinos y camiones grandes, pero todavía no se ha implementado nada. Y somos los primeros en pensar en un motor de automóvil".

El impacto podría ser enorme. En 2019, se estima que la cantidad de vehículos en uso en todo el mundo fue de 1.400 millones. Un automóvil en funcionamiento puede emitir alrededor de 4,6 toneladas métricas de CO2 por año, lo que significa que una cantidad significativa de gases de efecto invernadero está yendo al medio ambiente. La combustión de un automóvil también genera una gran cantidad de agua por año, aproximadamente 21.000 litros.

Castell-Pérez y Moreira, ambas profesoras del Departamento de Ingeniería Biológica y Agrícola, saben que este CO2 y agua desperdiciados se puede aprovechar, especialmente en las ciudades. Las recientes expansiones en la agricultura urbana de los EEUU dependen de los invernaderos industriales, que utilizan una atmósfera enriquecida artificialmente que contiene hasta tres veces la cantidad de CO2 en el aire normal para mejorar la salud de las plantas y las cosechas. Estas granjas urbanas se beneficiarían enormemente de una fuente constante de CO2 y agua recuperados y gratuitos, ya que actualmente compran y usan más de 2 kg de CO2 y casi 22 litros de agua para cultivar un poco más de 1 kg de producto. Y estos números no incluyen el agua y el CO2 necesarios para el procesamiento de alimentos después de la cosecha y la pasteurización en fase densa.

Los tres miembros de la facultad describieron cómo podría funcionar el dispositivo integrado. El calor del motor podría alimentar un sistema orgánico de ciclo Rankine (ORC), esencialmente una unidad pequeña y cerrada que contiene una turbina, intercambiadores de calor, condensador y bomba de alimentación que funciona como una máquina de vapor antigua pero en una escala mucho más pequeña, y con eso se necesita mucho menos calor para producir electricidad. El ORC alimentaría los otros componentes, como un sistema de intercambio de calor, que podría enfriar, comprimir y convertir el CO2 en líquido para un almacenamiento más compacto.

“Hace años, no pensábamos que pudiéramos tener aire acondicionado en un automóvil”, dijo Barrufet. “Este es un concepto similar al aire acondicionado que tenemos ahora. De una manera simple, es como ese dispositivo, cabe en espacios reducidos ".

Las simulaciones preliminares son alentadoras. No se prevé una reducción significativa de la potencia del motor de un automóvil ni un aumento en el uso de combustible. Cualquier posible corrosión en el sistema de intercambio de calor podría abordarse con el uso de nuevos materiales de revestimiento. Teóricamente, los propietarios de vehículos podrían entregar cartuchos llenos de CO2 y agua en los centros de recuperación del mismo modo que la gente trae latas de aluminio y acero hoy en día. O los conductores podrían incluso usar el CO2 y el agua en sus propios sistemas de invernadero o dentro de una comunidad, siempre que el CO2 se usara de manera responsable y las plantas lo absorbieran por completo.

Sin embargo, quedan preguntas, como qué tan grandes deberían ser estos cartuchos, cómo se manejaría el agua ya que no se puede comprimir y con qué peso afectaría el CO2 y el agua almacenados el rendimiento del automóvil.

Barrufet, Castell-Perez y Moreira buscan activamente financiación para continuar con su trabajo. Si bien ya se están realizando investigaciones en laboratorios e industrias nacionales para mejorar los dispositivos para la captura de CO2 a gran escala, actualmente no existe nada a una escala tan pequeña, por lo que podrían pasar 10 años antes de que tengan algo listo para probar.

El mayor desafío podría provenir de reunir un equipo multidisciplinario para realizar la investigación. Los componentes del dispositivo ya existen de alguna forma, pero necesitarán un equipo cohesionado de ingenieros de diferentes especialidades para rediseñarlos para que funcionen juntos en un espacio tan reducido.

“Todas estas ideas y tecnologías independientes no tienen valor si no pueden conectarse”, dijo Barrufet. "Necesitamos personas preocupadas por el futuro para que esto suceda pronto, estudiantes con energía en las disciplinas de ingeniería petrolera, mecánica, civil, agrícola y otras que puedan cruzar fronteras y trabajar en sincronía".