Un reactor abastecido con un material cerámico innovador capaz de capturar dióxido de carbono (CO2) tiene potencial como para reducir el impacto ambiental de los motores diésel que equipan camiones, ómnibus, tractores, máquinas industriales y generadores de energía. Esta innovación es fruto de un trabajo realizado en colaboración entre la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG), el Instituto Nacional de Tecnología (INT), la unidad de investigaciones del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación (MCTI) de Brasil, que cuya sede se encuentran en Río de Janeiro, y una empresa fabricante de automóviles que prefiere mantener el anonimato. En enero de este año se presentó en el Instituto Nacional de la Propiedad Industrial (INPI) una solicitud de patente del material.
En pruebas realizadas a finales de 2024, cuando se instaló un prototipo del reactor en un camión, la tecnología consiguió adsorber el 7,7 % del CO2 emitido en todo el recorrido. La adsorción es el proceso mediante el cual las moléculas o los iones son retenidos en la superficie de un material mediante interacciones químicas o físicas. En el ensayo se utilizó una metodología llamada Real Driving Emissions (RDE), estandarizada por el Instituto Brasileño de Medio Ambiente y Recursos Naturales Renovables (Ibama), que mide la emisión de contaminantes en condiciones reales de circulación de los vehículos. El camión en cuestión recorrió 170 kilómetros (km), atravesando zonas urbanas, rurales y un tramo de una carretera. Teniendo en cuenta solamente el trayecto urbano, su rendimiento fue aún mejor, con una retención del 17,2 % de los gases.
“Quedamos satisfechos con el resultado. Ahora estamos trabajando para ampliar el nivel de captura hasta un 30 % en cualquier tipo de recorrido”, dice el químico Jadson Cláudio Belchior, del Departamento de Química de la UFMG y coordinador del proyecto.
El material cerámico adsorbente de CO2 creado por el equipo de Belchior se produce con un conjunto de reactivos químicos en su mayoría inorgánicos y abundantes en la naturaleza, cuya composición se mantiene en secreto hasta que le sea otorgada la patente. Una vez mezclados, forman un material pastoso que luego se transforma en pélets semiesféricos de 1 centímetro (cm) de diámetro. “Se trata de un material poroso microscópicamente, lo que permite el ingreso del CO2, que reacciona con las sustancias químicas”, explica el investigador.
Los pélets se colocan en un reactor metálico de formato cilíndrico cuyas dimensiones finales aún restan definirse. Este, a su vez, se instala en el sistema de escape del vehículo o máquina, el conjunto de piezas que expulsa los gases de combustión producidos por el motor hacia el exterior. El material cerámico retiene solamente el CO2, lo que significa que el sistema de escape sigue necesitando el catalizador, la pieza que reacciona con los demás gases contaminantes (véase la infografía abajo).
El control de la temperatura
Para que los pélets cerámicos consigan retener el dióxido de carbono, este gas debe estar a una temperatura inferior a los 110 grados Celsius (ºC). “Por encima de ese límite térmico, el material es inerte en relación con el CO2”, informa Belchior. Uno de los retos consiste en enfriar el gas. La combustión en un motor diésel tiene lugar a alrededor de 600 ºC. “Esta temperatura desciende rápidamente y al llegar al sistema de escape ronda los 250 ºC, siendo aún muy alta para que el proceso de adsorción sea viable”, detalla el químico. Cabe destacar, también añade, que el gas no llega al reactor a una temperatura homogénea, lo que hace que toda porción que supere los 110 ºC no reaccione con el material. El dióxido de carbono no retenido por los pélets se libera al ambiente sin generar residuos.
La solución que se encontró para enfriar el gas consistió en instalar en el sistema de escape, entre el motor y el reactor, una tubería de expansión de mayor diámetro. “Es un procedimiento habitual para ampliar el intercambio de calor y acelerar el enfriamiento. Funciona como el tubo del radiador”, explica la ingeniera mecánica Valéria Said de Barros Pimentel, investigadora del INT. Los equipos del INT y de la empresa fabricante de automóviles se encargaron del desarrollo del reactor y del sistema de escape, así como de implementar la metodología RDE utilizada en los ensayos de campo.
Para mejorar el rendimiento del sistema y alcanzar la ansiada meta del 30 % de captura de CO2 será necesario reducir aún más la temperatura a la que el gas resultante de la combustión llega al reactor. Una de las prioridades del estudio, según informan los investigadores, consiste en optimizar el intercambio térmico en la tubería de expansión. El equipo del INT analiza introducir mejoras tanto en el diseño de la pieza como en el material metálico utilizado. Otra posibilidad, según Barros Pimentel, apunta a lograr una mayor eficiencia de los pélets cerámicos para reducir el espacio ocupado y permitir el uso de reactores más pequeños, ampliando el circuito de enfriamiento antes de llegar al reactor.
La disminución de la temperatura del gas en el reactor también tiene una segunda función: la reducción de los costos de regeneración del material cerámico. Para separar el CO2 retenido, los pélets son sometidos a un sencillo proceso de calentamiento. “Sucede que cuanto mayor es la temperatura de captura del CO2, mayor tendrá que ser la temperatura de la fuente de calor utilizada en el proceso de regeneración, lo que se traduce en un mayor gasto energético y encarece el proceso”, explica Belchior.
En un artículo publicado en la revista Fuel en 2019, el equipo de la UFMG presentó los detalles del proceso regenerativo del material cerámico, esencial para su reutilización. Los estudios, aún en fase preliminar, se realizaron en un banco de laboratorio. “Cuando el gas capturado se encuentra a 100 ºC, los pélets deben calentarse a temperaturas del orden de los 340 ºC para regenerarlos”, comenta Belchior. “Pretendemos reducir la temperatura del gas capturado hasta un rango entre 80 ºC y 90 ºC a los efectos de reducir el gasto energético en el proceso de regeneración”. En el artículo publicado en Fuel, los autores informan que el análisis termogravimétrico de los pélets cerámicos determinó que los mismos pueden reutilizarse en 10 ciclos de adsorción de CO2. La termogravimetría es una técnica con la cual se evalúan las cualidades fisicoquímicas de los materiales sometidos a variaciones de temperatura.
João Marcos Rosa / NitroJadson Belchior, coordinador de la investigación, y su alumna Daniele Leal preparan una muestra del material cerámico para evaluar su eficacia en la captura de CO2João Marcos Rosa / Nitro
La propuesta de los investigadores consiste en promover la economía circular, es decir, darle un uso productivo al CO2 retenido en los reactores. La idea es envasar el gas en cilindros para luego vendérselo a las industrias de alimentos, bebidas y fabricantes de combustibles sintéticos, donde el CO2 se utiliza como insumo.
Otro reto que deben superar los equipos de la UFMG y el INT es la creación de un “kit reactor” cuya instalación en el sistema de escape de los vehículos sea sencilla. “El dispositivo debe permitir el fácil reemplazo de los pélets del reactor”, dice el investigador de la UFMG, previendo que un camión que presta un servicio intensivo deberá sustituir el material a diario, pero será necesario realizar nuevas rondas de pruebas con el producto final para definir el esquema de reemplazo.
Al margen de todas las soluciones tecnológicas que deben encontrarse para que la innovación llegue a los usuarios, el estudio de factibilidad económica del proceso aún no ha sido elaborado. Los científicos esperan que el costo final del sistema sea bajo, ya que las sustancias químicas y las piezas metálicas empleadas son de fácil acceso y de bajo valor comercial.
El proyecto del dispositivo adsorbente de CO2 fue inscrito en 2022 en el Programa Rota 2030 – Movilidad y Logística, del gobierno federal, que apoya el desarrollo tecnológico del sector automotor. En 2024, este programa fue sustituido por el Programa Movilidad Verde e Innovación (Mover). Entre las metas establecidas en el programa sucesor se encuentra la necesidad de que las empresas fabricantes de automóviles participantes reduzcan en un 50 % las emisiones de carbono de sus vehículos para 2030, en comparación con las emisiones de 2011.
Sin embargo, las emisiones de gases de efecto invernadero del sector del transporte están en ascenso. En Brasil, según el Sistema de Estimaciones de Emisiones y Remoción de Gases de Efecto Invernadero (SEEG), del Observatorio del Clima, las emisiones de ese segmento aumentaron un 3,2 % en 2023 y alcanzaron una cifra récord de 223,8 millones de toneladas de CO2 equivalente, siendo esta última una magnitud internacional que establece una equivalencia entre todos los gases de efecto invernadero (metano, óxido nitroso y otros) y el CO2. El sector del transporte de cargas fue el principal responsable de ese incremento. Ese año, las emisiones totales de Brasil ascendieron a 2.670 millones de toneladas de CO2 equivalente.
João Marcos Rosa / NitroLos pélets se depositan en el prototipo del reactor, instalado en el escape de un camiónJoão Marcos Rosa / Nitro
“El desarrollo de tecnologías capaces de capturar CO2 directamente de fuentes móviles como los camiones, es de gran relevancia de cara a los desafíos actuales de descarbonización del sector del transporte”, dice el químico Pedro Vidinha, de la Universidad de São Paulo (USP) e investigador del Centro de Investigaciones para la Innovación en Gases de Efecto Invernadero (RCGI), apoyado por la FAPESP.
El trabajo realizado por la UFMG y el INT, pondera Vidinha, es prometedor porque propone una solución innovadora y potencialmente adaptable a la realidad brasileña. “La posibilidad de capturar hasta un 17 % de las emisiones de CO2 directamente en el escape de los vehículos representa un avance significativo”, sostiene.
El equipo de Belchior comenzó a desarrollar materiales cerámicos capaces de capturar CO2 en 2007. El grupo ya ha presentado 21 solicitudes de patentes, incluida la del proyecto actual, 11 de las cuales le fueron concedidas, siete de ellas en Estados Unidos. La primera se tramitó cuando el equipo consiguió capturar el gas a una temperatura de 600 ºC. Más que nada se trataba de una prueba de factibilidad, ya que el CO2 retenido a esa temperatura vuelve inviable el proceso de regeneración del material cerámico.
Una segunda fase del proyecto se llevó a cabo entre 2015 y 2018 con el apoyo de Petrobras, Fiat (actualmente Stellantis) y la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de Minas Gerais (Fapemig), cuando el equipo consiguió reducir la temperatura del proceso a 300 ºC, todavía demasiado alta para que el proceso fuera viable. Por entonces, la principal sustancia química utilizada como insumo para fabricar el material cerámico era el óxido de calcio (CaO), tal como se describe en un artículo publicado en 2020 en la revista International Nano Letters. Los experimentos le valieron al grupo de la UFMG el Premio Inventor 2019, de Petrobras. En aquel momento, el objetivo del proyecto era la captura del CO2 resultante de la combustión de la gasolina y el etanol.
El proyecto actual, que apunta a retener el CO2 emitido por los motores diésel, exigió al grupo una nueva investigación sobre las sustancias químicas más adecuadas para este proceso. El enfoque en la captura del CO2 en los motores gasoleros responde a los intereses del fabricante de automóviles asociado a la iniciativa. La meta personal de Belchior es realizar una presentación práctica del sistema, ya con las mejoras necesarias, durante la reunión de la Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático de 2025 ‒la COP30‒, que se llevará a cabo en la ciudad de Belém, capital del estado brasileño de Pará, a finales de este año.
Este artículo salió publicado con el título “Para captar dióxido de carbono” en la edición impresa n° 351 de mayo de 2025.
Artículos científicos
PINTO, P. C. C. et al. CO2 capture performance and mechanical properties of Ca(OH)2-based sorbent modified with MgO and (NH4)2HPO4 for calcium looping cycle. Fuel. v. 256. nov. 2019.
OLIVEIRA, H. et al. Improvement on CO2 capture by CaO pellet modified with carbon nanotubes. International NanoLetters. v. 10, p. 141-9. jun 2020.
PINTO, P. C. C. et al. Chemical absorption of CO2 enhanced by solutions of alkali hydroxides and alkoxides at room temperature. Chemistry Select. v. 7, p. 1-11. nov. 2022.
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