Los metales están en el corazón de la economía global, desde la generación y el almacenamiento de energía hasta el transporte. Pero sus cadenas de suministro enfrentan tres desafíos interrelacionados: reservas menguantes, demanda creciente y altas emisiones de gases de efecto invernadero.1–3.
Al ritmo actual de extracción y uso, las reservas conocidas de algunos metales, incluidos el cobre, el níquel y el cromo, solo durarán las próximas décadas.1,2. Y estas tasas no tienen en cuenta el aumento de la demanda a medida que crece la población mundial y surgen nuevas tecnologías.3 (ver 'Problema de tres partes').
Además, la minería y extracción de la mayoría de los metales, así como su fusión, refinación, aleación, fundición y conformación, son una gran fuente de gases de efecto invernadero. La producción de acero por sí sola representa alrededor del 8% de las emisiones mundiales de dióxido de carbono, o 3.600 millones de toneladas.3 — más de tres veces lo que aporta el sector de la aviación.
Actualmente no existen soluciones ni planes de implementación concretos y comúnmente aceptados a largo plazo. Aquí, basándonos en nuestra experiencia en ciencia e ingeniería de materiales, describimos un conjunto de cinco estrategias que, en conjunto, pueden abordar los desafíos. Las soluciones que elijan las sociedades tendrán consecuencias de amplio alcance para nuestras formas de vida, nuestra economía y el bienestar de nuestro planeta y de las generaciones futuras.
Fuentes: Reservas: ref. 1; En demanda: ref. 2; Emisiones: El acero mundial en cifras 2024 y Indicadores de Sostenibilidad 2024 informes (Asociación Mundial del Acero)
Intercambiar materiales
Un pequeño ajuste en la composición química de un material puede contribuir en gran medida a reducir la cantidad de metales utilizados. Tomemos como ejemplo el acero. Cada año se utilizan alrededor de mil millones de toneladas de acero al carbono-manganeso en todo el mundo para edificios y otras infraestructuras. Sin embargo, el uso de otro tipo de acero, que tiene casi las mismas cantidades de carbono, manganeso y silicio, pero también pequeñas cantidades de niobio (alrededor del 0,03 % en peso), aumenta la resistencia y la tenacidad del material.4. El acero con microaleación de niobio es ligeramente más caro que el acero convencional. Pero como es más resistente, se requiere menos material.4,5reduciendo el coste total de un edificio. Reducir el consumo de acero también puede reducir el CO2 emisiones4,5 en aproximadamente un 20%.
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Los investigadores también están investigando otras sustituciones. Por ejemplo, los imanes de tierras raras, que requieren elementos como el disprosio o el terbio, podrían sustituirse por otros menos perjudiciales para el medio ambiente basados en nitruro de hierro.6. Y baterías de iones de sodio.7 podrían reemplazar a los de iones de litio para evitar las limitaciones de suministro global de litio, los altos costos de extracción y el daño ambiental que causa durante la extracción. Los científicos también están estudiando baterías térmicas que almacenan energía en forma de calor en lugar de electricidad y que están hechas de materiales como cemento y roca triturada.
Para acelerar la adopción de materiales con menor huella de carbono, los gobiernos deberían actualizar sus políticas y regulaciones. Los gobiernos y la industria también pueden crear esquemas de certificación que recompensen la elección de materiales con bajas emisiones, ayudando a los diseñadores, ingenieros y consumidores a tomar decisiones informadas. Y las universidades deberían incluir principios de sustitución en la educación en ingeniería y materiales, para capacitar a la fuerza laboral en la selección de materiales que tengan un impacto ambiental mínimo, no solo un alto rendimiento.
La academia y la industria deben trabajar juntas en estrecha colaboración, a través de becas financiadas por la industria, programas de investigación conjuntos e instituciones como los Centros de Investigación de Ingeniería de EE. UU., que cuentan con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias.
Adoptar tecnologías verdes
La industria metalúrgica necesita urgentemente reducir su impacto medioambiental. La producción de aluminio, por ejemplo, es responsable de alrededor de 270 millones de toneladas de CO2 al año (una décima parte que el acero). También libera especies tóxicas que contienen flúor, que son potentes gases de efecto invernadero. Y la fundición de cobre libera grandes cantidades de dióxido de azufre, lo que contribuye a la lluvia ácida.
Se necesitan tecnologías de fabricación ecológicas que reduzcan las emisiones. Muchos ya existen. Por ejemplo, un alto horno de reciclaje de gas superior que reutiliza el dióxido de carbono del proceso de fabricación del hierro puede reducir sustancialmente las emisiones.8. También se pueden reciclar otros subproductos nocivos. En la fundición de cobre, por ejemplo, el dióxido de azufre se puede convertir en compuestos utilizables, como el ácido sulfúrico.
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Innovaciones en hidrometalurgia y biolixiviación.9 que utilizan microorganismos para descomponer los minerales y liberar metales puros están revolucionando la extracción. Pueden extraer níquel, cobre y oro de minerales con bajas concentraciones de estos elementos y evitar procedimientos de fundición que consumen mucha energía, lo que permite la extracción de metales de fuentes que antes eran demasiado caras de extraer o descartadas como inutilizables, como los subproductos de la minería y otros procesos industriales y los desechos electrónicos.
Sin embargo, en la práctica, muchas de estas tecnologías avanzadas no se adoptan debido a su costo. Los gobiernos deben ayudar a las empresas y a los individuos a través de políticas o incentivos, como préstamos a bajo interés, subvenciones a la inversión y mecanismos de fijación de precios del carbono. La promoción de la energía solar muestra cómo los incentivos gubernamentales pueden acelerar la adopción a pesar de los altos costos iniciales. El Crédito Fiscal a la Inversión de EE.UU. y los programas a nivel estatal pueden ofrecer subsidios, préstamos sin interés y apoyo comunitario a la energía solar.
Ir circular
Otra forma de reducir el consumo de metal es mejorar la durabilidad, reparabilidad y reciclabilidad de los productos que contienen metal. Las empresas deberían diseñar productos duraderos y ofrecer reciclaje al final de su vida útil. Varias corporaciones, incluidos los gigantes tecnológicos Apple y Dell, han adoptado prácticas circulares a través de programas de renovación certificados.
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Los gobiernos deben apoyar estos esfuerzos supervisando los datos sobre reciclaje, haciendo cumplir los requisitos de divulgación y estableciendo incentivos para el reciclaje y la gestión de residuos.10. La Unión Europea ha adoptado este enfoque. Por ejemplo, su Plan de Acción de Economía Circular y su directiva de Ecodiseño exigen normas para la durabilidad y reparabilidad de los productos. Las organizaciones internacionales deben estandarizar las prácticas y las agencias ambientales u organismos independientes deben monitorear el cumplimiento y el progreso. La Organización Internacional de Normalización ha emitido normas sobre ecodiseño y diseño para desmontaje. El Panel Internacional de Recursos del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente y la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos brindan orientación para flujos de materiales sostenibles11.
Acelerar el reciclaje de metales también debe ser una máxima prioridad. El acero, el aluminio y el cobre ya se reciclan ampliamente, pero se necesitan mejoras urgentes para otros, como el níquel, el cobalto, el manganeso y los elementos de tierras raras. Métodos avanzados de clasificación y programas de minería urbana.12 que puedan recuperar metales valiosos de los desechos electrónicos son cruciales.
En 2021, por ejemplo, el Ministerio de Economía, Comercio e Industria de Japón describió la transición del país hacia una economía circular. Según los ministerios de Economía y Medio Ambiente del país, en el año fiscal 2021 se recolectaron unos 15 millones de electrodomésticos en todo el país.
Los procesos de fabricación también se pueden mejorar. La impresión 3D, por ejemplo, reduce los residuos al construir objetos capa por capa, utilizando sólo la cantidad necesaria de polvo de metal en bruto.13.
