El mundo moderno no puede existir sin estos cuatro materiales

Oct 09, 2023

Las sociedades modernas serían imposibles sin la producción a gran escala de muchos materiales hechos por el hombre. Podríamos tener una civilización próspera que proporcione abundante comida, comodidades materiales y acceso a una buena educación y atención médica sin microchips ni computadoras personales: tuvimos uno hasta la década de 1970 y logramos, hasta la década de 1990, expandir economías, construir infraestructuras necesarias y conectar el mundo en aviones de pasajeros sin teléfonos inteligentes ni redes sociales. Pero no podríamos disfrutar de nuestra calidad de vida sin la provisión de muchos materiales necesarios para incorporar la miríada de nuestros inventos.

Cuatro materiales ocupan el lugar más alto en la escala de necesidad, formando lo que he llamado los cuatro pilares de la civilización moderna: el cemento, el acero, los plásticos y el amoníaco se necesitan en cantidades mayores que otros insumos esenciales. El mundo ahora produce anualmente alrededor de 4.500 millones de toneladas de cemento, 1.800 millones de toneladas de acero, casi 400 millones de toneladas de plásticos y 180 millones de toneladas de amoníaco. Pero es el amoníaco el que merece la primera posición como nuestro material más importante: su síntesis es la base de todos los fertilizantes nitrogenados, y sin sus aplicaciones sería imposible alimentar, en los niveles actuales, a casi la mitad de los casi 8 mil millones de personas de hoy.

La dependencia es aún mayor en el país más poblado del mundo: alimentar a tres de cada cinco chinos depende de la síntesis de este compuesto. Esta dependencia justifica fácilmente llamar a la síntesis de amoníaco el avance técnico más trascendental de la historia: otros inventos brindan nuestras comodidades, conveniencia o riqueza o prolongan nuestras vidas, pero sin la síntesis de amoníaco, no podríamos asegurar la supervivencia de miles de millones de personas vivas hoy y hoy. aún por nacer.

Los plásticos son un gran grupo de materiales orgánicos sintéticos cuya cualidad común es que se pueden moldear en las formas deseadas, y ahora están en todas partes. Mientras escribo esto, las teclas de mi laptop Dell y un mouse inalámbrico debajo de mi palma derecha están hechos de acrilonitrilo butadieno estireno, me siento en una silla giratoria tapizada en tela de poliéster, y sus ruedas de nailon descansan sobre una alfombra protectora de policarbonato que cubre una alfombra de poliéster. Pero los plásticos son ahora más indispensables en el cuidado de la salud en general y en los hospitales en particular. La vida ahora comienza (en las salas de maternidad) y termina (en las unidades de cuidados intensivos) rodeada de artículos de plástico hechos sobre todo de diferentes tipos de PVC: tubos flexibles (para alimentar a los pacientes, administrar oxígeno y controlar la presión arterial), catéteres, contenedores intravenosos, bolsas de sangre, envases estériles, bandejas y palanganas, orinales y barandales, mantas térmicas.

La fuerza, la durabilidad y la versatilidad del acero determinan el aspecto de la civilización moderna y permiten sus funciones más fundamentales. Este es el metal más utilizado y forma innumerables componentes críticos visibles e invisibles de la civilización moderna, desde rascacielos hasta escalpelos. Además, casi todos los demás productos metálicos y no metálicos que utilizamos han sido extraídos, procesados, moldeados, terminados y distribuidos con herramientas y máquinas hechas de acero, y ningún modo de transporte masivo actual podría funcionar sin acero. El automóvil promedio contiene alrededor de 900 kilogramos de acero y antes de que Covid-19 golpeara al mundo, se fabricaban casi 100 millones de vehículos al año.

El cemento es, por supuesto, el componente clave del hormigón: combinado con arena, grava y agua, forma el material más utilizado. Las ciudades modernas son encarnaciones del hormigón, al igual que los puentes, los túneles, las carreteras, las represas, las pistas y los puertos. China ahora produce más de la mitad del cemento del mundo y en los últimos años produce en solo dos años tanto como lo hizo Estados Unidos durante todo el siglo XX. Otra estadística asombrosa es que el mundo ahora consume en un año más cemento que durante toda la primera mitad del siglo XX.

Y estos cuatro materiales, tan diferentes en sus propiedades y cualidades, comparten tres rasgos comunes: no son fácilmente reemplazables por otros materiales (ciertamente no en un futuro cercano oa escala global); necesitaremos muchos más de ellos en el futuro; y su producción a gran escala depende en gran medida de la combustión de combustibles fósiles, lo que los convierte en las principales fuentes de emisiones de gases de efecto invernadero. Los fertilizantes orgánicos no pueden reemplazar al amoníaco sintético: su bajo contenido de nitrógeno y su masa mundial no son suficientes incluso si todos los estiércoles y residuos de cultivos fueran reciclados. Ningún otro material ofrece tales ventajas para muchos usos livianos pero duraderos como los plásticos. Ningún otro metal es tan económicamente fuerte como el acero. Ningún otro material producido en masa es tan adecuado para construir una infraestructura sólida como el hormigón (a menudo reforzado con acero).

En cuanto a las necesidades futuras, los países de altos ingresos podrían reducir su uso de fertilizantes (comiendo menos carne, desperdiciando menos), y China e India, los dos grandes usuarios, también podrían reducir sus aplicaciones excesivas de fertilizantes, pero África, el continente con el mayor consumo de fertilizantes. -población creciente, sigue privada de fertilizantes aun cuando ya es un importante importador de alimentos. Cualquier esperanza de una mayor autosuficiencia alimentaria se basa en el mayor uso de nitrógeno: después de todo, el uso reciente de amoníaco en el continente ha sido menos de un tercio de la media europea. Se necesitarán más plásticos para expandir los usos médicos (envejecimiento de la población) e infraestructurales (tuberías) y en el transporte (ver el interior de aviones y trenes de alta velocidad). Como es el caso del amoníaco, el consumo de acero tiene que aumentar en todos los países de bajos ingresos con infraestructuras y transporte subdesarrollados. Y se necesitará mucho más cemento para hacer concreto: los países ricos para reparar infraestructuras deterioradas (en los EE. UU., todos los sectores donde domina el concreto, incluidas las represas, las carreteras y la aviación, obtienen una calificación D en las evaluaciones de ingeniería a nivel nacional), en los países de bajos ingresos para ampliar ciudades, alcantarillado y transporte.

Además, la transición que se está desarrollando hacia las energías renovables demandará enormes cantidades de acero, hormigón y plásticos. Ninguna estructura es un símbolo más obvio de la generación de electricidad "verde" que las grandes turbinas eólicas, pero sus cimientos son de hormigón armado, sus torres, góndolas y rotores son de acero, y sus enormes aspas consumen mucha energía y son difíciles de reciclar: resinas plásticas. , y todas estas piezas gigantes deben llevarse a los sitios de instalación en camiones (o barcos) de gran tamaño y montarse con grandes grúas de acero, y las cajas de engranajes de las turbinas deben lubricarse repetidamente con aceite. Estas turbinas generarían electricidad verdaderamente verde solo si todos estos materiales se fabricaran sin combustibles fósiles.

Los combustibles fósiles siguen siendo indispensables para producir todos estos materiales.

La síntesis de amoníaco utiliza gas natural como fuente de hidrógeno y como fuente de energía necesaria para proporcionar alta temperatura y presión. Alrededor del 85% de todos los plásticos se basan en moléculas simples derivadas del gas natural y el petróleo crudo, y los hidrocarburos también proporcionan energía para las síntesis. La producción de acero primario comienza con la fundición del mineral de hierro en un alto horno en presencia de coque hecho de carbón y con la adición de gas natural, y el hierro fundido resultante se convierte en acero en grandes hornos básicos de oxígeno. Y el cemento se produce calentando piedra caliza y arcilla molida, esquisto en grandes hornos, largos cilindros de metal inclinados, calentados con combustibles fósiles de baja calidad como polvo de carbón, coque de petróleo y fuel oil pesado.

Como resultado, la producción global de estos cuatro materiales indispensables representa alrededor del 17 por ciento del suministro total anual de energía del mundo y genera alrededor del 25 por ciento de todas las emisiones de CO2 que se originan en la combustión de combustibles fósiles. La omnipresencia de esta dependencia y su magnitud hacen que la descarbonización de los cuatro pilares materiales de la civilización moderna sea un desafío poco común: reemplazar los combustibles fósiles en su producción será mucho más difícil y costoso que generar más electricidad a partir de conversiones renovables (principalmente eólica y solar). Eventualmente, nuevos procesos tomarán el control, pero actualmente no hay alternativas que puedan implementarse de inmediato para desplazar una gran parte de las capacidades globales existentes: su desarrollo llevará tiempo.

La síntesis de amoníaco y la fundición de acero podrían basarse en hidrógeno en lugar de gas natural y coque. Sabemos cómo hacerlo, pero pasará algún tiempo antes de que podamos producir cientos de millones de toneladas de hidrógeno verde derivado de la electrólisis del agua mediante el uso de electricidad eólica o solar (prácticamente todo el hidrógeno actual se deriva del gas natural y el carbón) . El mejor pronóstico es que el hidrógeno verde suministraría el 2% del consumo mundial de energía para 2030, muy por debajo de los cientos de millones de toneladas que eventualmente se necesitarán para descarbonizar la producción de amoníaco y acero. Por el contrario, la descarbonización de la producción de cemento solo puede llegar hasta cierto punto mediante el uso de materiales de desecho y biomasa, y se deben desarrollar y comercializar nuevos procesos para hacer que el cemento esté libre de CO2. Del mismo modo, no existe una forma sencilla de descarbonizar la producción de plástico, y las medidas irán desde materias primas para plantas hasta más reciclaje y sustituciones por otros materiales.

Y más allá de estos cuatro pilares materiales, están surgiendo dependencias materiales nuevas y altamente intensivas en energía y los automóviles eléctricos son su mejor ejemplo. más de 40 kilogramos de cobre y 50 kilogramos de grafito, así como unos 181 kilogramos de acero, aluminio y plásticos. El suministro de estos materiales para un solo vehículo requiere el procesamiento de unas 40 toneladas de minerales y, dada la baja concentración de muchos elementos en sus minerales, requiere la extracción y el procesamiento de unas 225 toneladas de materias primas. ¡Y la electrificación agresiva del transporte por carretera pronto requeriría multiplicar estas necesidades por decenas de millones de unidades por año!

Las economías modernas siempre estarán ligadas a flujos masivos de materiales, ya sean fertilizantes a base de amoníaco para alimentar a la población mundial en constante crecimiento; plásticos, acero y cemento necesarios para nuevas herramientas, máquinas, estructuras e infraestructuras; o nuevos insumos requeridos para producir celdas solares, turbinas eólicas, autos eléctricos y baterías de almacenamiento. Y hasta que todas las energías utilizadas para extraer y procesar estos materiales provengan de conversiones renovables, la civilización moderna seguirá dependiendo fundamentalmente de los combustibles fósiles utilizados en la producción de estos materiales indispensables. Ningún diseño de inteligencia artificial, ninguna aplicación, ningún reclamo de "desmaterialización" venidera cambiará eso.

Adaptado de CÓMO FUNCIONA REALMENTE EL MUNDO por Vaclav Smil, publicado por Viking, una editorial de Penguin Publishing Group, una división de Penguin Random House, LLC. Copyright © 2022 por Vaclav Smil.

Contáctenosen [email protected].