Una nueva investigación de la Universidad Northwestern, ha demostrado sistemáticamente que una leve descarga de electricidad puede fortalecer una costa marina durante generaciones, reduciendo en gran medida la amenaza de erosión frente al cambio climático y el aumento del nivel del mar, escribió Amanda Morris.
En el nuevo estudio, los investigadores se inspiraron en almejas, mejillones y otras especies marinas que habitan en conchas, que utilizan minerales disueltos en el agua de mar para construir sus conchas.
Del mismo modo, los investigadores aprovecharon los mismos minerales disueltos de forma natural para formar un cemento natural entre granos de arena empapados en el mar.
Pero, en lugar de utilizar la energía metabólica como hacen los moluscos, los investigadores utilizaron la energía eléctrica para estimular la reacción química.
En experimentos de laboratorio, una leve corriente eléctrica cambió instantáneamente la estructura de la arena marina, transformándola en un sólido inmóvil similar a una roca.
Los investigadores tienen la esperanza de que esta estrategia pueda ofrecer una solución duradera, barata y sostenible para fortalecer las costas mundiales.
El estudio fue publicado en la revista Communications Earth and the Environment, una revista publicada por Nature Portfolio.
«Más del 40% de la población mundial vive en zonas costeras», dijo Alessandro Rotta Loria, de Northwestern, quien dirigió el estudio.
«Debido al cambio climático y al aumento del nivel del mar, la erosión es una enorme amenaza para estas comunidades. A través de la desintegración de la infraestructura y la pérdida de tierras, la erosión causa miles de millones de dólares en daños por año en todo el mundo. Los enfoques actuales para mitigar la erosión implican la construcción de estructuras de protección o la inyección de aglutinantes externos en el subsuelo.
Casi el 26% de las playas de la Tierra serán arrasadas para finales de este siglo, según un estudio de 2020.
«Mi objetivo era desarrollar un enfoque capaz de cambiar el statu quo en la protección costera, uno que no requiriera la construcción de estructuras de protección y que pudiera cementar sustratos marinos sin usar cemento real.
Al aplicar una estimulación eléctrica leve a los suelos marinos, demostramos sistemática y mecánicamente que es posible cementarlos convirtiendo los minerales disueltos naturalmente en el agua de mar en aglutinantes minerales sólidos, un cemento natural».
Rotta Loria es Profesora Asistente Louis Berger de Ingeniería Civil y Ambiental en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern. Andony Landivar Macías, ex candidato a doctorado en el laboratorio de Rotta Loria, es el primer autor del artículo.
Steven Jacobsen, mineralogista y profesor de ciencias terrestres y planetarias en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern, también fue coautor del estudio.
Los diques también se erosionan
Desde la intensificación de las tormentas hasta el aumento del nivel del mar, el cambio climático ha creado condiciones que están erosionando gradualmente las costas.
Según un estudio de 2020 del Centro Común de Investigación de la Comisión Europea, casi el 26% de las playas de la Tierra serán arrasadas para finales de este siglo.
Para mitigar este problema, las comunidades han implementado dos enfoques principales: construir estructuras de protección y barreras, como diques, o inyectar cemento en el suelo para fortalecer los sustratos marinos, que en su mayoría consisten en arena.
Pero son múltiples los problemas que acompañan a estas estrategias. Estos métodos convencionales no solo son extremadamente caros, sino que tampoco duran.
«Los diques también sufren de erosión», dijo Rotta Loria. «Entonces, con el tiempo, la arena debajo de estos muros se erosiona y los muros pueden eventualmente colapsar. A menudo, las estructuras de protección están hechas de piedras grandes, que cuestan millones de dólares por milla. Sin embargo, la arena debajo de ellos puede licuarse esencialmente debido a una serie de factores estresantes ambientales, y estas grandes rocas son tragadas por el suelo debajo de ellas.
«La inyección de cemento y otros aglutinantes en el suelo tiene una serie de inconvenientes ambientales irreversibles. Por lo general, también requiere altas presiones y cantidades significativas de energía interconectada».
Convertir los iones en pegamento
Para evitar estos problemas, Rotta Loria y su equipo desarrollaron una técnica más simple, inspirada en el coral y los moluscos. El agua de mar contiene naturalmente una gran cantidad de iones y minerales disueltos. Cuando se aplica una corriente eléctrica suave (de 2 a 3 voltios) al agua, se desencadenan reacciones químicas.
Esto convierte algunos de estos componentes en carbonato de calcio sólido, el mismo mineral que usan los moluscos para construir sus conchas. Del mismo modo, con un voltaje ligeramente más alto (4 voltios), estos constituyentes se pueden convertir predominantemente en hidróxido de magnesio e hidromagnesita, un mineral omnipresente que se encuentra en varias piedras.
Cuando estos minerales se unen en presencia de arena, actúan como un pegamento, uniendo las partículas de arena.
En el laboratorio, el proceso también funcionó con todo tipo de arenas, desde sílice común y arenas calcáreas hasta arenas de hierro, que a menudo se encuentran cerca de los volcanes.
«Después de ser tratada, la arena parece una roca», dijo Rotta Loria. «Es quieto y sólido, en lugar de granular e incoherente. Los minerales en sí son mucho más fuertes que el hormigón, por lo que la arena resultante podría volverse tan fuerte y sólida como un dique».
Si bien los minerales se forman instantáneamente después de que se aplica la corriente, las estimulaciones eléctricas más prolongadas obtienen resultados más sustanciales.
«Hemos notado resultados notables con solo unos pocos días de estimulaciones», dijo Rotta Loria. «Luego, la arena tratada debe permanecer en su lugar, sin necesidad de más intervenciones».
Respetuoso con el medio ambiente y reversible
Rotta Loria predice que la arena tratada debería mantener su durabilidad, protegiendo las costas y la propiedad durante décadas.
Rotta Loria también dice que no hay necesidad de preocuparse por los efectos negativos en la vida marina.
Los voltajes utilizados en el proceso son demasiado suaves para sentirlos. Otros investigadores han utilizado procesos similares para fortalecer las estructuras submarinas o incluso restaurar los arrecifes de coral. En esos escenarios, ningún bicho marino resultó herido.
Y, si las comunidades deciden que ya no quieren la arena solidificada, Rotta Loria también tiene una solución para eso, ya que el proceso es completamente reversible. Cuando se conmutan los electrodos del ánodo y el cátodo de la batería, la electricidad disuelve los minerales, deshaciendo efectivamente el proceso.
«Los minerales se forman porque estamos elevando localmente el pH del agua de mar alrededor de las interfaces catódicas», dijo Rotta Loria. «Si se cambia el ánodo con el cátodo, se producen reducciones localizadas del pH, que disuelven los minerales previamente precipitados».
Costo competitivo, innumerables aplicaciones
El proceso ofrece una alternativa económica a los métodos convencionales. Después de analizar los números, el equipo de Rotta Loria estima que su proceso cuesta solo entre 3 y 6 dólares por metro cúbico de tierra cementada eléctricamente. Los métodos más establecidos y comparables, que utilizan aglutinantes para adherir y fortalecer la arena, cuestan hasta 70 dólares por el mismo volumen unitario.
La investigación en el laboratorio de Rotta Loria muestra que este enfoque también puede curar estructuras agrietadas hechas de hormigón armado. Gran parte de la infraestructura costera existente está hecha de hormigón armado, que se desintegra debido a los complejos efectos causados por el aumento del nivel del mar, la erosión y el clima extremo. Y si estas estructuras se agrietan, el nuevo enfoque evita la necesidad de reconstruir completamente la infraestructura. En cambio, un pulso de electricidad puede curar grietas potencialmente destructivas.
«Las aplicaciones de este enfoque son innumerables», dijo Rotta Loria. «Podemos usarlo para fortalecer el lecho marino debajo de los diques o estabilizar las dunas de arena y retener las pendientes inestables del suelo. También podríamos usarlo para fortalecer las estructuras de protección, los cimientos marinos y tantas otras cosas. Hay muchas maneras de aplicar esto para proteger las zonas costeras».
A continuación, el equipo de Rotta Loria planea probar la técnica fuera del laboratorio y en la playa.
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