La IA consigue producir amoníaco verde de una manera que nunca habrías imaginado

Los científicos e ingenieros de la UNSW Sydney, que anteriormente desarrollaron un método para producir amoníaco verde, ahora han recurrido a la inteligencia artificial y al aprendizaje automático para hacer el proceso aún más eficiente.

Al amoníaco, una sustancia rica en nitrógeno presente en los fertilizantes, se le atribuye a menudo haber salvado a gran parte del mundo de la hambruna en el siglo XX. Sin embargo, sus beneficios para la humanidad han tenido un coste, con una de las mayores huellas de carbono de todos los procesos industriales. Para producirlo, las plantas industriales necesitan temperaturas superiores a los 400 °C y presiones extremadamente altas, más de 200 veces la presión atmosférica normal. Estos requisitos de alto consumo energético han convertido la producción de amoníaco en una importante fuente de emisiones globales de gases de efecto invernadero, representando el 2% a nivel mundial.

Pero en 2021, un equipo de la UNSW descubrió una forma de producir amoníaco a partir del aire y el agua utilizando energía renovable, aproximadamente a la misma temperatura que un cálido día de verano.

El Dr. Ali Jalili, de la Facultad de Química de la UNSW, afirma que, si bien la prueba de concepto original demostró que el amoníaco podía crearse íntegramente a partir de energía renovable, a bajas temperaturas y sin emisiones de carbono, aún había margen de mejora. Por ejemplo, ¿podría producirse de forma más eficiente, con menos energía, desperdiciando menos y produciendo más amoníaco?

Para responder a estas preguntas, el equipo necesitaba encontrar el catalizador adecuado: una sustancia que acelera la reacción química sin ser absorbida por ella. Como explicaron en el artículo publicado en la revista Small, el equipo comenzó elaborando una lista corta de candidatos prometedores para catalizadores.

“Seleccionamos 13 metales que, según investigaciones anteriores, tenían las cualidades que buscábamos; por ejemplo, este metal es bueno para absorber nitrógeno, este es bueno para absorber hidrógeno, y así sucesivamente”, dice el Dr. Jalili.

“Pero el mejor catalizador necesitaría una combinación de estos metales, y si hacemos los cálculos, resultan ser más de 8000 combinaciones diferentes”.

Entra la inteligencia artificial

Los investigadores alimentaron un sistema de aprendizaje automático con información sobre el comportamiento de cada metal y lo entrenaron para identificar las mejores combinaciones. De esta forma, en lugar de realizar más de 8000 experimentos en el laboratorio, solo tuvieron que ejecutar 28.

“La IA redujo drásticamente el tiempo y los recursos de descubrimiento, reemplazando miles de experimentos de prueba y error”, afirma el Dr. Jalili.

“Tener una lista corta de 28 combinaciones diferentes de metales significó que ahorramos una gran cantidad de tiempo en el trabajo de laboratorio en comparación con si hubiéramos tenido que probar los 8000, lo cual simplemente no era posible”.

La combinación ganadora fue una mezcla de hierro, bismuto, níquel, estaño y zinc. Si bien los investigadores esperaban cierta mejora en el proceso de producción de amoníaco verde, este nuevo catalizador de cinco metales superó incluso sus expectativas más optimistas.

Lograron una mejora de siete veces en la tasa de producción de amoníaco y, al mismo tiempo, una eficiencia cercana al 100%, lo que significa que casi toda la energía eléctrica que necesitaron para que ocurriera la reacción se utilizó para producir amoníaco; se desperdició muy poco.

Altísima eficiencia

Conocido como eficiencia faradaica, los altos índices de eficiencia significan que el proceso es más sostenible, rentable y escalable, lo cual es crucial para que el amoníaco verde sea una alternativa viable a los métodos basados ​​en combustibles fósiles. El Dr. Jalili afirma que su equipo logró producir amoníaco de esta manera a una temperatura ambiente de 25 °C, menos del 10 % de la temperatura requerida para producir amoníaco de forma convencional mediante el método Haber-Bosch .

Este enfoque de baja temperatura y alta eficiencia hace que la producción de amoníaco verde sea viable y escalable. Creemos que puede competir directamente con las rutas electrificadas de Haber-Bosch e incluso con las basadas en combustibles fósiles, creando una vía realista para el amoníaco verdaderamente verde.

"Este mismo sistema funciona también como transportador de hidrógeno libre de carbono, creando nuevas oportunidades económicas que se alinean con el cambio global hacia una economía de hidrógeno limpio", dijo el Dr. Ali Jalili.

Subcontratación de la producción

De cara al futuro, el Dr. Jalili y su equipo de investigación esperan que la nueva mejora en la producción de amoníaco verde tenga un impacto real. El objetivo es que, pronto, los agricultores puedan producir amoníaco para fertilizantes in situ, a bajo coste y con un bajo consumo energético, eliminando así la necesidad de transporte y reduciendo aún más la huella de carbono de la producción de amoníaco.

De hecho, la producción local de amoníaco ya ha comenzado, aunque todavía se encuentra en fase de prueba. Los agricultores pueden comprar o alquilar módulos de amoníaco, que son sistemas compactos prefabricados del tamaño de un contenedor de transporte. Cada módulo combina el catalizador optimizado por IA, el generador de plasma y el electrolizador en un único sistema listo para usar.

“Durante un siglo, la producción de amoníaco se basó en fábricas masivas y centralizadas que reducían costos al operar a escalas enormes, pero esos proyectos tardan años en construirse, requieren miles de millones de dólares de capital y no pueden adaptarse rápidamente a los cambios en los mercados energéticos”, afirma el Dr. Jalili.

Su enfoque rompe con la era de las plantas centralizadas a gran escala y abre la puerta a unidades más pequeñas y descentralizadas que requieren inversiones iniciales mucho menores.

Almacenamiento de energía de hidrógeno

Otra ventaja de la producción de amoníaco de bajo costo y bajo consumo energético es su papel en la transición mundial hacia una economía del hidrógeno. El amoníaco líquido almacena más energía de hidrógeno que el hidrógeno líquido, lo que lo convierte en un mejor candidato para el almacenamiento y el transporte de energías renovables.

“Este mismo sistema funciona también como transportador de hidrógeno libre de carbono, lo que genera nuevas oportunidades económicas que se alinean con la transición global hacia una economía de hidrógeno limpio”, afirma el Dr. Jalili.

Basándose en su prueba a escala agrícola de la producción de fertilizantes nitrogenados, el equipo del Dr. Jalili ahora está implementando su catalizador descubierto por IA en módulos de amoníaco distribuidos para reducir costos, agudizar la competitividad del amoníaco verde y acelerar su adopción en el mercado global.