¿Un sumidero de carbono transformador en el océano?

Hace varias décadas, cuando la concentración de dióxido de carbono (CO₂) en la atmósfera estaba muy por debajo de 400 partes por millón, los científicos del clima comenzaron a advertir sobre las consecuencias negativas para el clima de la Tierra de la quema de combustibles fósiles.A partir de esas alertas tempranas, surgió un consenso de que sería necesario reducir las emisiones de carbono (y eventualmente reducirlas a cero) para evitar consecuencias peligrosas del calentamiento global, como calor extremo, tormentas más fuertes e inundaciones y sequías más intensas.

Hoy el CO atmosférico₂ concentración está muy por encima de 400 partes por millón y sigue aumentando, y una gran cantidad de investigaciones y recientes fenómenos meteorológicos severos apuntan al hecho de que estas peligrosas consecuencias ya están ocurriendo.Los gobiernos han fijado objetivos ambiciosos para frenar las emisiones y se están logrando algunos avances, pero existen serias dudas y preocupaciones sobre la ritmo lento de este progreso abundar.

 Para cada enfoque para la eliminación de dióxido de carbono, quedan dudas sobre la escala del impacto que puede tener en la extracción y almacenamiento seguro del carbono atmosférico.

Reducir eficazmente los niveles de carbono atmosférico requerirá una serie de acciones, desde individuos que toman decisiones difíciles desde cambios en el estilo de vida hasta la cooperación internacional para buscar soluciones a partir de un menú diverso de opciones.Entre las opciones bajo consideración están los métodos para eliminación deliberada de dióxido de carbono (CDR) de la atmósfera, alguna vez considerado como último recurso.Muchos enfoques de CDR, tanto en tierra como en el mar, se encuentran en diversas etapas de prueba y desarrollo.Cada uno tiene ventajas y desventajas, por ejemplo, con respecto a los costos y los efectos secundarios potencialmente negativos.Y para cada uno de ellos, quedan dudas sobre la escala del impacto que puede tener en la extracción y almacenamiento seguro del carbono atmosférico.

Aquí describimos un enfoque CDR alternativo, inspirado en un proceso natural de secuestro de carbono en el fondo marino, que en teoría podría eliminar cantidades sustanciales de carbono atmosférico.También sería necesario responder a preguntas e inquietudes importantes sobre este enfoque, pero considerando su enorme potencial, creemos que vale la pena investigarlo.

El menú actual de opciones de eliminación de dióxido de carbono

El campo del CDR está explotando a medida que demanda de estrategias rentables excede la oferta.Los enfoques más familiares buscan almacenar carbono orgánico en biomasa, en la tierra y en los océanos.Los esfuerzos por restaurar hábitats naturales con capacidad de almacenamiento de carbono son loables.Sin embargo, este carbono orgánico es vulnerable a la oxidación y la reliberación a la atmósfera, sobre todo a través de la combustión en incendios forestales y la descomposición de la vegetación afectada por la sequía.En el mar, estos esfuerzos se llevan a cabo mediante el cultivo de algas y la fertilización con nutrientes, por ejemplo, aunque no está claro qué cantidad de la nueva biomasa creada se almacena finalmente ni durante cuánto tiempo.

El dióxido de carbono también puede capturarse mediante el uso de química ácido-base y luego secuestrarse en rocas (por ejemplo, formaciones de yacimientos de petróleo agotados) o en el océano.Sin embargo, estos enfoques también enfrentan desafíos para lograr el almacenamiento permanente, lo que plantea dudas sobre la seguridad y el potencial de nueva liberación a la atmósfera del carbono secuestrado.

La mejora de la alcalinidad del océano es muy prometedora porque la capacidad del océano para almacenar bicarbonato es amplia en el período de tiempo relevante.

Conversión de CO₂ al carbonato mineral proporciona un mecanismo de almacenamiento permanente [Kelemen y la Materia, 2008].Reacciones naturales conocidas como reacciones de Ebelmen-Urey [Pierrehumbert, 2010], en el que minerales de silicato como la forsterita (Mg₂SiO₄;una forma de olivino) reaccionan con CO₂ para producir minerales carbonatados y sílice (p. ej., Mg₂SiO₄ +2CO₂ → 2MgCO₃ + SiO₂), se considera que han actuado como un termostato planetario durante la mayor parte de la historia de la Tierra debido a su dependencia de la temperatura y las retroalimentaciones relacionadas.En el pasado, estas reacciones han sacado gradualmente a la Tierra de los climas cálidos de efecto invernadero al reducir el CO atmosférico.₂, y eventualmente borrarán el pico de carbono antropogénico, aunque no en una escala de tiempo relevante para la civilización humana.

Mientras tanto, es posible que la humanidad necesite implementar la CDR a gran escala para compensar la extracción y combustión de combustibles fósiles durante el siglo pasado.Mejora de la alcalinidad del océano (OAE), en el que la adición de iones como Mg²⁺ y ca²⁺ (procedente de materiales como el olivino o la cal) al océano provoca una mayor disolución del CO atmosférico₂ para formar bicarbonato (HCO₃^–), es bastante prometedor, porque la capacidad del océano para almacenar bicarbonato es amplia en el marco temporal relevante [Renforth y Henderson, 2017].De hecho, se están estudiando enfoques de OAE, que a menudo implican materiales dispersos en la superficie del océano, aunque también enfrentan dudas sobre su viabilidad a gran escala.¿Existen otros entornos marinos en los que se podría aplicar la OAE a gran escala y con resultados duraderos?

Transform Faults ofrece un enfoque transformador

El manto de la Tierra, que constituye más del 80% del volumen del planeta, es un vasto reservorio de roca ultramáfica (con bajo contenido de sílice).En concepto, una pequeña fracción de esta roca (alrededor de 600 kilómetros cúbicos como mínimo si se convierte completamente en carbonato) podría neutralizar toda la porción de carbono fósil de la era industrial en la atmósfera.

Las fallas transformantes oceánicas y sus extensiones de zonas de fractura presentan entornos tectónicos donde estas rocas reactivas del manto, que normalmente están enterradas bajo kilómetros de corteza, quedan expuestas en la superficie de la Tierra.El descubrimiento de fallas transformantes, que conectan los límites de las placas divergentes ubicadas en los centros de expansión en medio del océano, fue clave para desencadenar la revolución tectónica de placas en la década de 1960.carson, 2020].Y hoy, la coexistencia de las rocas adecuadas y la batimetría de alto relieve presenta una combinación óptima de desequilibrios químicos y gravitacionales, lo que sugiere un potencial para una CDR a gran escala que no se encuentra en ningún otro lugar de la Tierra.

Especialmente en los límites de las placas pobres en magma y de expansión lenta (<4 centímetros por año), las fallas transformantes presentan abundantes minerales de silicato de magnesio de reacción relativamente rápida [Kelemen et al., 2020].La escala de los valles de fallas transformantes eclipsa la de las características erosivas terrestres como el Gran Cañón.Las paredes de los valles submarinos son propensas a sufrir un desgaste masivo, lo que expone superficies frescas de minerales de silicato reactivos.A nivel local, el movimiento de las fallas de desprendimiento casi horizontales da como resultado que porciones de la corteza se deslicen del manto subyacente, lo que permite una mayor exposición de la roca ultramáfica en el fondo marino.

La fracturación activa, necesaria para que las reacciones agua-roca produzcan soluciones alcalinas, está muy extendida.Las bajas velocidades de las ondas sísmicas observadas a lo largo de las fallas transformantes oceánicas implican que el agua penetra a profundidades de más de 30 kilómetros.Wang y cols., 2022].Debido al enfriamiento diferencial en la roca del fondo marino en estos entornos, las extensiones de la zona de fractura de los límites de las placas de transformación también continúan experimentando movimientos verticales diferenciales y fracturas recientes.Además, hay fallas activas que exponen roca del manto reactiva localmente a lo largo de las crestas de las crestas y a lo largo de las paredes de las trincheras.

¿Suburbanizar la Ciudad Perdida?

Se sabe que los entornos de fallas transformantes oceánicas albergan sistemas hidrotermales de baja temperatura que secuestran CO disuelto.₂ precipitando carbonato mineral [Kelley y cols., 2007].Un buen ejemplo, el Campo hidrotermal de la Ciudad Perdida (LCHF), se encuentra aproximadamente a 30°N de latitud y a 15 kilómetros al oeste de la Cordillera del Atlántico Medio en el Macizo de la Atlántida.Aquí, los respiraderos del fondo marino liberan fluidos alcalinos de alto pH que reaccionan con el agua de mar para precipitar torres de más de 60 metros de altura hechas de carbonato (por ejemplo, CaCO₃) y brucita (Mg[OH]₂).

Circulación hidrotermal de baja temperatura en el LCHF está vinculado a la hidratación exotérmica del olivino y minerales relacionados por el agua que se filtra debajo del fondo marino (p. ej., 2 mg₂SiO₄ +H₂O + 2H⁺ → magnesio₃Si₂oh₅(OH)₄ + mg²⁺).Esta reacción forma minerales del grupo serpentina (p. ej., Mg₃Si₂oh₅(OH)₄), los minerales primarios de la roca serpentinita.Los fluidos hidrotermales luego ascienden a través de un sistema permeable de roca fracturada.La mezcla de los fluidos de ventilación cálidos y alcalinos (pH > 10) con agua de mar cambia los equilibrios de carbonatos localmente para favorecer la precipitación de carbonatos.

Imagínese si fuera factible mejorar este proceso natural de CDR expandiendo deliberadamente sistemas hidrotermales de baja temperatura como Lost City y Entregar los fluidos alcalinos a la superficie del océano. revertir simultáneamente la acidificación antropogénica de los océanos y reducir el CO atmosférico₂.Puede parecer una hazaña audaz y técnicamente exigente, pero las tecnologías básicas necesarias ya están disponibles.

La perforación y la hidrofracturación en sitios de pérdida activa de masa crearían superficies minerales reactivas frescas y promoverían la serpentinización, un mayor craqueo y la producción de mayores volúmenes de fluidos hidrotermales alcalinos de alto pH.Luego, los fluidos podrían bombearse o dirigirse para que se eleven de manera flotante a través de tuberías aisladas para elevar la alcalinidad de la capa mixta de la superficie del océano.En comparación con la infraestructura existente de combustibles fósiles que atraviesa los continentes y el fondo marino, llevar estos fluidos a la superficie debería ser eminentemente factible.En cuanto a la infraestructura de superficie, las flotas suspendidas de portaaviones, presumiblemente propulsadas por fuentes de energía no fósiles como la nuclear o la eólica, podrían servir como plataformas de perforación.Las fallas transformantes de la Tierra cubren del orden de 100.000 kilómetros cuadrados, un área probablemente más que suficiente para este enfoque de CDR [por ejemplo, Kelemen et al., 2020].

Sin embargo, incluso si la tecnología fundamental y la escala del material expuesto del manto estuvieran disponibles, aún quedan cuestiones científicas prácticas que abordar.Por ejemplo, se necesitaría investigación adicional para comprender la importancia relativa de las retroalimentaciones negativas y positivas en entornos hidrotermales de baja temperatura.Kelemen et al., 2020].Las retroalimentaciones negativas podrían incluir la "obstrucción", donde la precipitación de minerales secundarios inhibe la permeabilidad y la producción de fluidos alcalinos.Mientras tanto, las retroalimentaciones positivas que mantienen estos sistemas en funcionamiento se evidencian tanto en la larga vida útil de los respiraderos como en la omnipresencia de rocas fracturadas y alteradas.

También existen posibles problemas cinéticos con los que lidiar, aunque la química favorece un mayor consumo de CO₂ En el océano, el ritmo de las reacciones puede ser demasiado lento para importar en las líneas de tiempo humanas.Se han explorado varias opciones para acelerar las tasas de CO₂-reacciones de consumo.Kelemen y la Materia [2008], por ejemplo, demostró que la tasa de carbonatación de olivino aumenta un millón de veces por encima de las tasas típicas a la temperatura de reacción óptima de 185 °C (365 °F) y altas presiones parciales de CO.₂.También se han explorado estrategias electroquímicas para acelerar el proceso [por ejemplo, Rau et al., 2013].

El problema con el metano

La noción de expandir intencionalmente sistemas hidrotermales y canalizar fluidos a la superficie del océano plantea distintas preocupaciones.En lo alto de la lista está el metano.

Más allá de las cuestiones sobre su viabilidad técnica, la noción de expandir intencionalmente sistemas hidrotermales y canalizar fluidos a la superficie del océano plantea distintas preocupaciones.En lo alto de la lista está el hecho de que el metano, un potente gas de efecto invernadero, es un producto ubicuo de la serpentinización.¿Qué papel juegan los minerales libres de carbono en la formación de metano rico en carbono?

En reacciones de serpentinización, se utiliza olivino de manto, una solución sólida de típicamente 90% de forsterita (Mg₂SiO₄) y 10% fayalita (Fe₂SiO₄), libera hierro reducido (Fe²⁺), que es el culpable.El agua oxida el hierro reducido, formando hidrógeno molecular (H₂) en el proceso (es decir, 3Fe₂SiO₄ + 2H₂O → 2Fe₃oh₄ + 3SiO₂ + 2H₂).Este hidrógeno luego convierte cualquier carbono oxidado (por ejemplo, CO₂) presente en metano (es decir, 4H₂ +CO₂ → CH₄ + 2H₂O).Claramente sería indeseable crear o ampliar las fuentes de metano y hacer que el gas termine en la atmósfera.

Sin embargo, es posible que las noticias no sean del todo malas.Tanto el hidrógeno como el gas metano son fuentes de energía; el primero es una fuente de energía limpia.La recolección de gases podría ayudar a satisfacer la demanda continua de energía convencional y la creciente demanda de energía limpia, al mismo tiempo que ayudaría a financiar la perforación y la infraestructura CDR.En un marco alternativo, centrado en lo económico, el objetivo principal para expandir los sistemas de ventilación hidrotermales como se describe podría incluso ser producir y comercializar fuentes de gas hidrógeno generadoras de ingresos, con la CDR como un subproducto beneficioso.

Por supuesto, recolectar estos gases en las profundidades del océano podría resultar un desafío.En Lost City, la roca carbonatada que cubre el fondo marino ayuda a concentrar los flujos de fluidos de ventilación.Es una cuestión abierta si una infraestructura artificial concentraría de manera similar los gases producidos sin fugas excesivas.

¿Qué más podría salir mal?

También existen otras preocupaciones, además del posible escape del exceso de metano.Los sistemas hidrotermales de baja temperatura, como Lost City, contrastan marcadamente con los sistemas hidrotermales de alta temperatura, que son comunes a lo largo de las dorsales oceánicas.Estos sistemas de alta temperatura, en los que el magnesio disuelto se intercambia de hecho por protones (es decir, Mg²⁺ → 2H⁺), liberan soluciones ácidas que restan valor al presupuesto de alcalinidad del océano, por lo que aumentar inadvertidamente los flujos de fluidos de estos sistemas sería contraproducente.Claramente, se debe evitar la proximidad a sitios de alto flujo de calor.

La perforación por encima de los escarpes de las fallas también podría desencadenar eventos de destrucción masiva y tsunamis, un peligro potencial que se ha estudiado en regiones tectónicamente activas como la Fosa de Puerto Rico.

Las actividades asociadas con el enfoque CDR propuesto también podrían alterar los hábitats del fondo marino y la superficie del océano.Tal perturbación es una gran preocupación con esfuerzos mineros del fondo marino, y se requerirían esfuerzos sustanciales para evitar dañar los ecosistemas del fondo marino en aras de la CDR.Para minimizar las alteraciones en los hábitats de la superficie del océano, se podría diseñar un sistema de suministro para eliminar los solutos problemáticos y diluir los fluidos alcalinos de los respiraderos antes de que se mezclaran con las aguas superficiales.

Disipando un problema perverso

La caja de Pandora de la energía fósil ha creado el “perverso” problema del cambio climático, que no tiene una solución simple ni única.Incropera, 2015].La transición para abandonar las fuentes de energía fósiles está en marcha, pero incluso si las emisiones de carbono desaparecieran mañana, un exceso de CO₂ permanecería mucho tiempo en nuestros cielos.

El proceso natural de CDR que se produce en entornos de fallas de transformación oceánicas, si pudiera aprovecharse, representa una solución potencialmente transformadora.

No existen opciones perfectas para eliminar el exceso de carbono; todos los métodos enfrentan dudas sobre su seguridad, durabilidad y eficacia a gran escala.El proceso natural de CDR que se produce en entornos de fallas transformantes oceánicas, si pudiera aprovecharse para reducir el CO atmosférico₂ y elevar el pH de la superficie del océano, representa una solución potencialmente transformadora.Estos entornos combinan desequilibrios químicos y gravitacionales óptimos a la escala necesaria: las rocas adecuadas, listas para fracturarse, están presentes en una cantidad efectivamente ilimitada.Si se pudieran aprovechar gases reducidos como el hidrógeno y el metano para obtener energía sin temor a fugas, el enfoque podría ser financieramente sostenible.

Soluciones de geoingeniería puede tener consecuencias no deseadas, por lo que conviene actuar con cautela.Sugerimos que se necesita más investigación para investigar la viabilidad técnica del enfoque CDR descrito aquí e identificar posibles sitios de prueba a lo largo de fallas transformantes para experimentos de perforación piloto.También se necesita un sistema de gobernanza para monitorear y regular la investigación, las pruebas y el desarrollo de CDR marinos.

Entonces, ¿es esta una idea potencialmente salvadora del planeta que vale la pena explorar, o es intrigante pero que distrae?Agradecemos los aportes de la comunidad de ciencias de la Tierra y más allá.Independientemente de la opinión de cada uno, cada vez está más claro que se necesitan ideas ambiciosas para acelerar el progreso hacia la mitigación de los efectos del calentamiento global y disipar el perverso problema que enfrentamos.

Fuente : eos