Los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST han desarrollado un instrumento de laboratorio que puede medir la cantidad de carbono en muchos materiales que contienen carbono derivado de los combustibles fósiles. Esto abrirá el camino para nuevos métodos en los biocombustiblesy las industrias de bioplásticos, en investigación científica y monitoreo ambiental, entre otras cosas, permitirá a los científicos medir la cantidad de dióxido de carbono CO 2 en la atmósfera provenía de la quema de combustibles fósiles y para estimar las emisiones de combustibles fósiles en un área tan pequeña como una ciudad o tan grande como un continente.
Esto es posible porque los átomos de carbono se producen en formas pesadas y ligeras, o isótopos, y medir las cantidades relativas de cada uno puede revelar la fuente del carbono. El uso de isótopos de carbono de esta manera no es una idea nueva, pero requiere mucha precisión- y costosas - mediciones. El nuevo instrumento, desarrollado por los químicos del NIST Adam Fleisher y David Long y basado en una tecnología llamada espectroscopía de anillo de cavidad CRDS, promete reducir drásticamente el costo de esas mediciones. Describieron el rendimiento del instrumento en The Journal of Physical Chemistry Letters .
"La medición de los isótopos de carbono es una técnica extremadamente útil, pero hasta ahora, ha encontrado un uso limitado debido al costo", dijo Long. "Reducir el costo abrirá el camino para nuevas aplicaciones, especialmente aquellas que requieren probar un gran númerode muestras "
La clave para estas mediciones es el carbono 14, un isótopo de carbono radioactivo pero inofensivo que se forma en la atmósfera superior. Ese carbono 14 se encuentra en todos los seres vivos. A diferencia del carbono normal, el carbono 14 es inestable, con una vida media de 5.730 años. Cuando los seres vivos mueren, dejan de incorporar carbono en sus cuerpos y su carbono 14 comienza a descomponerse.
Los científicos pueden calcular cuánto tiempo hace que algo murió midiendo cuánto carbono-14 hay en sus restos. Esa técnica se llama datación por carbono, y los científicos la usan para fechar cosas como huesos de neandertales y fibras de plantas antiguas.
Los combustibles fósiles también son los restos de seres vivos, principalmente plantas que murieron hace cientos de millones de años. Prácticamente todo su carbono-14 se descompuso hace eones, por lo que cualquier cosa derivada de ellos está marcada por la ausencia de cantidades medibles de carbono14.
Pero el carbono 14 es extremadamente raro, y para usarlo para identificar combustibles fósiles, los científicos deben poder medirlo a concentraciones tan bajas como 1 parte en 10 billones. Eso es el equivalente de un solo grano de arena en 60 vertederoscamiones llenos de cosas.
Para medir concentraciones tan bajas, necesita una técnica de medición extremadamente sensible, y esa técnica ya existe. Los arqueólogos han estado confiando en ella durante décadas. Pero esa técnica requiere un acelerador de partículas para separar los isótopos el carbono 14 más pesado se aceleramás lentamente que el carbono 12 diario, junto con una instalación para albergarlo y un equipo de doctores para ejecutarlo.
El instrumento CRDS que han desarrollado Fleisher y Long puede sentarse en una mesa de laboratorio y es relativamente económico de operar.
Los instrumentos CRDS analizan gases detectando las longitudes de onda de la luz que absorben. Por ejemplo, CO 2 que contiene carbono-14 - llamado CO pesado 2 - absorbe una longitud de onda ligeramente diferente que el CO normal 2 .
para medir cuánto CO pesado 2 tienes en un CO 2 muestra, primero se inyecta la muestra en la cavidad de medición del instrumento la "C" en CRDS, que es un tubo con espejos dentro de cada extremo. Luego se sintoniza un láser a la longitud de onda exacta que solo contiene CO pesado. 2 absorbe y dispara una ráfaga en la cavidad. A medida que la luz láser rebota entre los espejos, parte de su energía es absorbida por el gas. Cuanto mayor es la absorción, mayor es la concentración de CO pesado 2 .
Para lograr la sensibilidad requerida, Fleisher y Long mejoraron la tecnología CRDS existente mediante la ingeniería de un sistema que enfría la cavidad a un uniforme menos 55 grados Celsius y minimiza las fluctuaciones de temperatura que provocarían la medición. Hacer la cavidad muy fría permite que su instrumentodetecte señales muy leves de absorción de luz, de la misma manera que podría escuchar una caída de alfiler si hace que una habitación sea extremadamente silenciosa.
Esta y otras mejoras aumentaron la sensibilidad del instrumento lo suficiente para una datación de carbono precisa.
Para probar biocombustibles y bioplásticos, primero quemaría esos materiales y luego recogería el CO resultante 2 para análisis. Esto le permitiría probar una mezcla de combustible para determinar qué fracción es biocombustible. En la industria de las aerolíneas, por ejemplo, esto sería útil porque algunos países requieren que los combustibles de aviación incluyan un porcentaje específico de biocombustible. Tales pruebastambién podría usarse para verificar que los bioplásticos, que se venden por una prima, no contienen compuestos derivados del petróleo.
Para estimar las emisiones de combustibles fósiles en un área geográfica, recolectaría muchas muestras de aire en esa área y analizaría el CO atmosférico 2 en esas muestras. Las áreas con altas emisiones de combustibles fósiles, como las ciudades y las zonas industriales, tendrán concentraciones de CO pesado por debajo de lo normal 2 .
"Las emisiones de combustibles fósiles diluyen la concentración de CO pesado 2 en el aire ", dijo Fleisher." Si podemos medir con precisión esa concentración después de haberla diluido, podemos calcular cuántas emisiones de combustibles fósiles hay en la mezcla ".
Un informe de la Academia Nacional de Ciencias estimó que 10,000 muestras al año, recolectadas en lugares cuidadosamente seleccionados en los Estados Unidos, serían suficientes para estimar las emisiones nacionales de combustibles fósiles dentro del 10 por ciento del valor real. Tal sistema de medicionespuede aumentar la confiabilidad de las estimaciones de emisiones nacionales. Esto sería especialmente útil en partes del mundo donde los datos de emisiones de alta calidad no están disponibles.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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