PETRA III descubre una técnica eficaz de producción de un nuevo fertilizante "verde".

Un método puramente mecánico puede producir un nuevo fertilizante más sostenible y menos contaminante. Este es el resultado de un método optimizado en la fuente de luz PETRA III del DESY. Un equipo internacional utilizó PETRA III para optimizar el método de producción, que es una adaptación de una técnica antigua: al moler dos ingredientes comunes, la urea y el yeso, los científicos producen un nuevo compuesto sólido que libera lentamente dos elementos químicos fundamentales para la fertilización del suelo, el nitrógeno y el calcio. El método de molienda es rápido, eficaz y limpio, al igual que el producto fertilizante, que tiene el potencial de reducir la contaminación por nitrógeno que ensucia los sistemas de agua y contribuye al cambio climático. Los científicos también descubrieron que su proceso es escalable, por lo que podría aplicarse a nivel industrial. Los resultados de los científicos del DESY, el Instituto Ruđer Bošković (IRB) de Zagreb (Croacia) y la Universidad de Lehigh (EE.UU.) se han publicado en la revista Green Chemistry. El nuevo fertilizante aún debe probarse en el campo.

Los científicos del DESY y del IRB llevan varios años colaborando en la exploración de los fundamentos de los métodos mecánicos para iniciar reacciones químicas. Este método de procesamiento, llamado mecanoquímica, utiliza varios insumos mecánicos, como la compresión, la vibración o, en este caso, la molienda, para lograr la transformación química. "La mecanoquímica es una técnica bastante antigua", afirma Martin Etter, científico de la línea de luz P02.1 de PETRA III. "Durante miles de años, hemos estado moliendo cosas, por ejemplo, el grano para el pan. Es ahora cuando empezamos a observar estos procesos mecanoquímicos de forma más intensiva utilizando rayos X y viendo cómo podemos utilizar esos procesos para iniciar reacciones químicas."

La línea de luz de Etter es una de las pocas del mundo en las que se puede realizar y analizar la mecanoquímica de forma rutinaria utilizando los rayos X de un sincrotrón. Etter ha pasado años desarrollando la línea de luz y trabajando con los usuarios para perfeccionar los métodos de análisis y optimización de las reacciones mecanoquímicas. El resultado ha sido una instalación experimental de renombre mundial que se ha utilizado para estudiar muchos tipos de reacciones importantes para la ciencia de los materiales, la catálisis industrial y la química verde.

"En la actualidad, el equipo de mecanoquímica del DESY es probablemente el mejor del mundo", afirma Krunoslav Užarević, del IRB de Zagreb. "En pocos lugares se puede controlar el progreso de las reacciones mecanoquímicas tan bien como aquí en el DESY. Habría sido prácticamente imposible lograr este resultado sin la experiencia de Martin Etter y este montaje PETRA III."

Para obtener este resultado, la colaboración en mecanoquímica se asoció con Jonas Baltrusaitis, profesor de ingeniería química de la Universidad de Lehigh. El equipo utilizó la instalación P02.1 para conocer los parámetros que rigen el proceso de molienda, con el fin de optimizar las condiciones de reacción para preparar el fertilizante deseado. La instalación de PETRA III permite conocer directamente la evolución de la mezcla de reacción mediante la aplicación de radiación de sincrotrón al recipiente de molienda. Esto significa que se puede observar la reacción sin detener el procedimiento. Los investigadores pudieron así determinar las vías exactas de reacción y analizar el rendimiento y la pureza del producto, lo que les ayudó a perfeccionar el procedimiento mecánico sobre la marcha. Encontraron un procedimiento que permitía convertir el 100% de los materiales de partida en el fertilizante deseado.

Ese producto final se conoce como "cocristal", un sólido con una estructura cristalina compuesta por dos sustancias químicas diferentes que se estabiliza mediante interacciones intermoleculares más débiles en patrones repetidos. "Los cocristales pueden verse como estructuras de LEGO", dice Etter. "Tienes conjuntos de dos tipos de dos ladrillos, y con estos dos ladrillos haces un patrón repetitivo". En este caso, los "ladrillos" son el sulfato de calcio derivado del yeso y la urea. Mediante el proceso de molienda, la urea y el sulfato de calcio se unen entre sí.

"Por sí sola, la urea forma un cristal muy poco unido que se deshace fácilmente y libera su nitrógeno con demasiada facilidad", dice Baltrusaitis. "Pero con el sulfato de calcio, a través de este proceso mecanoquímico, se obtiene un cocristal mucho más robusto y de liberación lenta". La ventaja de este cocristal es que sus enlaces químicos son lo suficientemente débiles como para liberar el nitrógeno y el calcio, pero lo suficientemente fuertes como para evitar que los dos elementos se liberen a la vez.

Ese método de liberación es la gran ventaja del abono. Por un lado, han evitado uno de los principales inconvenientes de los fertilizantes nitrogenados que se utilizan desde los años 60. "El statu quo de los fertilizantes, por razones de seguridad alimentaria, es verter la mayor cantidad posible de nitrógeno y fósforo en los cultivos", dice Baltrusaitis. Más de 200 millones de toneladas de fertilizantes se producen mediante el proceso Haber-Bosch, que tiene más de un siglo, y que atrapa el nitrógeno atmosférico en cristales de urea. De esta cantidad, sólo el 47% es absorbido por el suelo, mientras que el resto es arrastrado por el agua y provoca graves problemas en los sistemas hídricos. En el Mar del Norte y en el Golfo de México están creciendo enormes "zonas muertas", en las que las floraciones de algas alimentadas por el exceso de fertilizantes absorben todo el oxígeno disponible en el agua y, por tanto, matan la vida marina.

Además, la producción de los fertilizantes comunes requiere mucha energía, ya que cada año se consume el 4% del suministro mundial de gas natural mediante el proceso Haber-Bosch. El nuevo método ofrece la oportunidad de reducir esa dependencia. "Si se aumenta la eficiencia de esos materiales de urea en un 50 por ciento, se necesita fabricar menos urea a través de Haber-Bosch, con todos los problemas de consumo de energía relacionados, como la demanda de gas natural", dice Baltrusaitis. El procedimiento de molienda es rápido y muy eficaz, y da como resultado un abono puro sin ningún subproducto de desecho, salvo el agua. "No sólo proponemos un abono que funciona mejor", dice Baltrusaitis, "también demostramos un método de síntesis ecológico".

Mientras que en el análisis de PETRA III se utilizaron miligramos de abono, el equipo de investigación dirigido por Baltrusaitis y Užarević ha conseguido ampliar sus procedimientos con ayuda de los datos tomados en PETRA. Hasta ahora, pueden, con el mismo procedimiento y eficiencia, producir cientos de gramos de fertilizante. Como siguiente paso, el equipo planea seguir ampliando la escala, con el fin de hacer una versión industrial de prueba real del proceso. Baltrusaitis ya está trabajando en esa ampliación y en las pruebas del fertilizante de cocristales para su aplicación en condiciones reales.

"Más allá del producto, el proceso mecanoquímico no genera prácticamente ningún subproducto o residuo no deseado", afirma Užarević del IRB. "Somos optimistas de que existe un gran potencial de aplicación en todo el mundo".

En esta investigación han participado el Instituto Ruđer Bošković de Zagreb (Croacia), la Universidad Lehigh de Bethlehem (Pensilvania) en Estados Unidos, la empresa química ICL Group, la Universidad de Zagreb y DESY.