Un equipo de la Universidad de Northwestern ha conseguido encerrar el principio físico de un rayo dentro de un tubo de vidrio del tamaño de un bolígrafo. La descarga, controlada con pulsos eléctricos de alto voltaje, basta para romper la molécula de metano y reconstruirla en metanol líquido en una sola etapa, sin las temperaturas superiores a 800 °C ni las presiones extremas que exigen las plantas químicas convencionales. La investigación, firmada por el químico Dayne Swearer y publicada en el Journal of the American Chemical Society, abre una vía para aprovechar las fugas de gas natural que hoy se queman o se ventilan a la atmósfera.
El método tradicional para obtener metanol obliga a romper primero las moléculas de metano con calor y vapor y a recombinarlas después bajo alta presión. El proceso funciona, pero su consumo energético es enorme y libera grandes volúmenes de dióxido de carbono.
La industria global del metanol mueve decenas de millones de toneladas al año y arrastra un coste climático que ha empujado a varios laboratorios estadounidenses, alemanes y chinos a buscar una vía electroquímica de un solo paso. Hasta ahora, ninguno había logrado mantener la selectividad por encima del 90 % sin que el producto final acabara degradándose.
Una tormenta encerrada en un tubo de vidrio
El reactor del laboratorio de Swearer se basa en tubos de vidrio porosos recubiertos por dentro con un catalizador de óxido de cobre. El metano circula por el interior mientras el sistema dispara pulsos eléctricos de alto voltaje. Cuando el potencial supera el umbral de ionización, el gas confinado pasa a estado de plasma, el mismo régimen físico en el que se forma un relámpago durante una tormenta de verano.
«Estamos utilizando pulsos de electricidad de alto voltaje. Si el potencial eléctrico es lo suficientemente alto, se forman rayos dentro de nuestro reactor como ocurre en una tormenta de verano», explicó Swearer en la nota de prensa de Northwestern. La descarga rompe los enlaces carbono-hidrógeno del metano y libera fragmentos reactivos que viajan hasta la pared porosa del tubo, donde el cobre los obliga a reorganizarse en metanol antes de que la siguiente descarga los pueda destruir.
El metanol que sale del reactor se disuelve de inmediato en el agua que rodea el tubo. Ese paso, que aparenta un detalle de laboratorio, resulta clave en el balance del proceso. La disolución funciona como una trampa química que retira el producto del campo eléctrico antes de que un nuevo pulso lo oxide hasta dióxido de carbono. El equipo ha medido una selectividad del 96,8 % hacia el metanol entre los productos líquidos, el rendimiento más alto descrito hasta ahora en una conversión directa metano-metanol asistida por plasma.
El argón entra en escena
Para subir la eficiencia, los investigadores incorporaron al gas de entrada argón, un elemento de la familia de los gases nobles que en condiciones ordinarias es químicamente inerte. Dentro del plasma cambia de papel. Al ionizarse, el argón eleva la densidad de electrones libres en el reactor y reduce la formación de subproductos no deseados, como hollín o monóxido de carbono. Es un truco que los físicos de plasma ya conocían en pantallas y procesos de soldadura, pero que hasta ahora no se había integrado en un electrocatalizador para metanol.
La cámara de reacción genera además otros dos productos con valor industrial. El primero es etileno, la materia prima básica del polietileno y del polipropileno, los dos plásticos más utilizados del planeta. El segundo es hidrógeno, «un combustible sin carbono», apuntó Swearer. Ambos salen del reactor como subproductos aprovechables, lo que reduce el coste neto del proceso y abre la posibilidad de instalar reactores compactos en lugares donde hoy no compensa montar una planta química completa.
La aplicación que más entusiasma al equipo de Northwestern es el metano fugitivo, la fracción del gas natural que escapa por los pozos de extracción, las redes de distribución y los vertederos. La Agencia Internacional de la Energía calcula que esas emisiones equivalen a más de 80 megatoneladas anuales y suponen una de las contribuciones más rápidas al calentamiento global por su efecto invernadero a corto plazo. Un reactor del tamaño de un congelador instalado junto a una boca de pozo podría capturar parte de ese gas y devolverlo en forma de metanol líquido, transportable en camión o barco. El siguiente paso del laboratorio, según el grupo, es escalar la geometría del reactor sin perder la selectividad obtenida en el banco de pruebas.
