IV. LOS CARBURANTES Y LA CONTAMINACIÓN
COMO al hombre son los pulmones, las plantas son a nuestro sofocado
planeta Tierra. Desde hace millones de años se han encargado de transformar
el bióxido de carbono que generan todas las especies animales que se alimentan
de carbohidratos, su carburante principal. En la escuela escuchamos el estribillo
del maestro de ciencias naturales: "la fotosíntesis es el proceso químico que
tiene lugar en las plantas mediante el cual se transforma el bióxido de carbono
del medio ambiente circundante, con ayuda de la energía solar, en carbohidratos
y oxígeno". La NASA, estudió cuáles son las plantas de interior
capaces de neutralizar los contaminantes comúnes dentro de las casas, como el
temido benceno y el monóxido de carbono. La conclusión fue que plantas como:
las Dracaenas (D. "Janet Craig", D. Marginata, D. Massangeana,
D. "Warneckii"), la hiedra inglesa (Hedera helix) y algunos crisantemos
(Chrysantheium morifolium) son poderosos absorbentes. No sólo piense
en el aspecto decorativo de sus plantas de interior sino en su poder anticontaminante.
¿QUÉ COSAS NOCIVAS EMITEN LOS AUTOS A GASOLINA?
Antes veamos los gases emitidos anualmente a partir de datos obtenidos en EUA sobre la emisión de contaminantes por los autos de pasajeros y camiones ligeros.
Estas cifras dan una idea de la gravedad del problema a nivel mundial. Antes de seguir, vale la pena afinar los criterios que se utilizan para calificar de contaminante una sustancia.
Se la considera así si al quedar expuesto a ella se incrementan las posibilidades de experimentar problemas de salud. Los compuestos tóxicos en el aire también causan problemas ecológicos. ¿Cómo se les jerarquiza? Hay tres criterios oficiales para clasificarlos:
• causan serios problemas de salud, como cáncer, defectos en los recién nacidos, muerte inmediata.
• son emitidos a la atmósfera en cantidades lo suficientemente grandes como para ser tóxicas. Esto se calcula con mediciones directas de las sustancias en muestras de aire recolectadas o bien empleando modelos de emisión.
• afectan a gran cantidad de personas.
Buena parte de los estudios sobre la contaminación por vehículos se inició en California, EUA, a principios de los años 40. La combinación de un rápido incremento en la población y por consiguiente en el número de automóviles en la zona geográfica enfocó la atención de los políticos y de los científicos para conocer qué reacciones se llevan a cabo en la atmósfera entre los hidrocarburos y los óxidos de nitrógeno. Las voces aumentaron de tono y se crearon comités que recabaron datos de la calidad del aire. En 1952, el profesor A. J. Haagen-Smit del Instituto de Tecnología de California publicó estudios que mostraban que algunos hidrocarburos, en combinación con los óxidos de nitrógeno de los automóviles reaccionaban con la luz solar para producir sustancias oxidantes, entre ellas el ozono y otros productos que causan irritación de los ojos y la desintegración del hule de los neumáticos. Se puede decir que este trabajo y otro paralelo llevado por el Control de la Contaminación Aérea de Los Ángeles, en que se veía que los aerosoles se generaban por la polimerización de sustancias provenientes de hidrocarburos detectados en los autos, marcan las bases para que la comunidad científica examinara más a fondo el efecto de los gases de escape sobre la salud.
Antes de sentar en el banquillo de los acusados a la gasolina y achacarle responsabilidades contaminantes, describamos algunas características de los villanos que intervienen en la película de la contaminación, tan mencionados y de los que sabemos poco.
EL OZONO BUENO Y EL OZONO MALO
El ozono (O2) es una forma distinta de oxígeno ( O2), el gas indispensable para mantener la vida de los seres vivos. Bajo intenso bombardeo de luz ultravioleta desde el Sol en las inmediaciones superiores de la atmósfera, las moléculas "normales" de oxígeno, con dos átomos de oxígeno, se dividen en átomos separados (O, en vez de O2, en términos químicos). Algunos de ellos reaccionan con el oxígeno molecular (O2) para formar ozono ( O3). La cantidad natural de ozono en la estratósfera es tan reducida (menos de 10 partes por millón) que al nivel del mar su grosor sería similar al cristal de una ventana, pero esta capa es suficiente para impedir que la mayor parte de la dañina radiación ultravioleta del Sol llegue a la superficie de la Tierra, 6 a 18 km abajo, éste es el ozono bueno. En realidad el bueno y el malo son lo mismo, sólo que el malo se genera muy cerca del suelo de las grandes ciudades, o sea en la tropósfera, y el bueno a 18 km en la estratósfera. El ozono malo ambiental, se forma en altas concentraciones en la atmósfera de las grandes ciudades a través de reacciones fotoquímicas complejas; es el contaminante más persistente y el principal componente del esmog fotoquímico. De hecho no se produce directamente en la combustión de la gasolina, sino que algunos gases de emisión se encargan de generarlo en la atmósfera con ayuda de la luz solar.
El ozono es un irritante dañino a la salud. Muchas personas expuestas al ozono sufren irritación de los ojos, tos y molestias en el pecho, dolores de cabeza, enfermedades respiratorias, incremento en los ataques de asma y reducción en el funcionamiento respiratorio.
La OMS ha estipulado que: los datos existentes sobre los efectos
del ozono en la salud nos llevan a recomendar 1 hora de exposición para concentraciones
de ozono de 150-200 microgramos por metro cúbico ( 
/m³),
o 0.076-0.1 partes por millón (ppm). Para disminuir el potencial de efectos
adversos y crónicos y proporcionar un margen adicional de protección, se recomiendan
no más de 8 horas de exposición ante concentraciones de ozono de 100-120 ( /m³
(0.05-0.06 ppm)). Los compuestos gaseosos principales que directamente contribuyen
a la formación del ozono ambiental son los óxidos de nitrógeno y compuestos
orgánicos volátiles (COV), dentro de los cuales se encuentran los
hidrocarburos y los hidrocarburos oxigenados, ambos emitidos por el escape de
los automóviles o, en el caso de los cov, por la misma evaporación de la gasolina.
Por fin algunas pistas nos llevan a incluir a la gasolina, pero no nos adelantemos,
las reacciones químicas que controlan el ozono atmosférico son muy complejas.
El NOx es una mezcla de NO y NO2 (óxido nitroso y óxido nítrico) que se producen en todos los procesos de combustión por la oxidación del nitrógeno del aire o de un hidrocarburo nitrogenado que tenga la gasolina. Los automotores pueden llegar a ser tan "eficientes" que hasta el nitrógeno del aire, gas poco reactivo, con que oxidamos la gasolina resulta oxidado. El NO2 causa posiblemente bronquitis, pneumonía, suceptibilidad a infecciones virales (vgr. gripe) y alteraciones del sistema inmunológico. También contribuye a la lluvia ácida, al esmog urbano y al ozono ambiental. En la figura 33 se ilustran las transformaciones químicas del NO en la atmósfera que conllevan a los problemas de contaminación del aire. Nótese que el NO es el compuesto inicial de todos los demás óxidos de nitrógeno. El NO no sólo se produce por la combustión de carburantes fósiles, sino también por la acción de los relámpagos sobre el nitrógeno del aire, por descomposición microbiana de las proteínas en el suelo y por la actividad volcánica.
Entre los componentes de la gasolina, al menos dos grupos de compuestos son culpables directamente de producir ozono: Los cov y los NOx. Los primeros contienen los mismos hidrocarburos de la gasolina y de los compuestos oxigenados, como los éteres y alcoholes que se agregan a la gasolina como aditivos. No se puede eliminar a los hidrocarburos para desaparecer el ozono ambiental, pero los hidrocarburos de la gasolina están compuestos por gran cantidad de sustancias y no todas contribuyen por igual a la formación de ozono. Como diferentes hidrocarburos reaccionan con el aire para generar diferentes cantidades de ozono, se necesita de una especificación completa de las emisiones de hidrocarburos. Así, un mismo volumen de hidrocarburos formará diferentes cantidades de ozono dependiendo de la reactividad de sus componentes. Como los jugadores de un equipo de futbol, anotar goles depende de la habilidad individual. Para descubrirlos se hizo un estudio con muestras de los gases del escape de los automóviles, estableciéndose su naturaleza química y las cantidades presentes. Una segunda etapa, más compleja aún fue definir la reactividad de esas sustancias. La reactividad se refiere al potencial de que un compuesto forme ozono al reaccionar con los NOx. Para precisar diremos que el potencial se define como el número de moléculas de ozono que se forman por cada átomo de carbono presente en una molécula. El potencial depende de si las reacciones que se llevan a cabo en la atmósfera son controladas por los hidrocarburos presentes o por los óxidos de nitrógeno. Por ejemplo en la ciudad de México el que predomina es el último caso.
Figura 33. Ciclo del nitrógeno en el medio ambiente.
En la siguiente tabla se enlistan las reactividades relativas en gramos de ozono (potencial) por gramo de hidrocarburo de los nueve hidrocarburos más importantes en los gases de escape.
| Sustancia | g O3 / g hidrocarburo * |
| Metano | 0.0148 |
| Etano | 0.25 |
| Benceno | 0.42 |
| propano | 0.48 |
| Metanol | 0.56 |
| Tolueno | 2.73 |
| formaldehido | 7.15 |
| Etileno | 7.29 |
| m-Xileno | 8.16 |
| 1-3-Butadieno | 10.89 |
La importancia de identificar los componentes individuales de las emisiones radica en el hecho de la diferencia en reactividad que puede existir entre un hidrocarburo y otro de estructura diferente. Por ejemplo, el 1.3-butadieno es 700 veces más reactivo que el metano, lo que nos da un indicio de contra qué compuestos se deben de dirigir los esfuerzos para controlar las emisiones y limitar la formación de ozono.
Los compuestos o grupos de compuestos más tóxicos y que requieren control son cinco: benceno, 1.3-butadieno, formaldehído, acetaldehído y aromáticos polinucleares. Las estrategias mundiales demandan reducir entre 15 y 25% estos contaminantes por medio de las gasolinas reformuladas entre 1995 y 2000. Los porcentajes relativos de casos de cáncer (potencial) que pueden causar seis de los contaminantes más peligrosos antes mencionados, comparados con el total de todas las sustancias de un automotor, se muestran en la figura 34.
En 1822 el físico francés Joseph Fourier (1786-1830) publicó sus Comentarios generales sobre la temperatura del globo terrestre y de los espacios planetarios. Refiriéndose a la temperatura del planeta declaraba que el asunto era sumamente importante y uno de los más difíciles de evaluar. Distinguía los fenómenos debidos a causas naturales de los causados por circunstancias locales, "como los movimientos de aire y agua, la extensión del mar, la elevación y la forma del suelo, así como los efectos de la industria humana". Situaba su reflexión en el contexto de la revolución termo-industrial de su tiempo y percibía los cambios climáticos potenciales que conllevaba: "El establecimiento y progreso de las sociedades humanas y la acción de fuerzas naturales pueden cambiar notablemente el estado de la superficie del suelo, la distribución de aguas y los grandes movimientos del aire." Comparaba la atmósfera de la Tierra con los páneles de vidrio de un invernadero, ambos dejan que la luz visible del Sol entre y caliente tierra, agua, plantas y aire, pero también retardan el escape del calor hacia el espacio. Sin su atmósfera, el planeta estaría tan muerto y helado como Marte, en vez de tener una temperatura promedio de 15°C y mantener con vida a millones de especies. Al irlandés John Tyndall (1820-1893) se le reconoce haber asociado, en 1861, la transmisión del calor solar y terrestre a través de la atmósfera de la Tierra con el análisis y propiedades de los gases y vapores presentes. En un estudio de ese año se sientan las bases teóricas del efecto invernadero que él atribuye básicamente al vapor del agua, indicando que cualquier variación de la temperatura del vapor en la atmósfera debía producir un cambio en el clima, pero añadía que todo cambio en la composición química de la atmósfera tendría efectos considerables sobre el clima. El clima se enseña en las clases de geografía percibiéndose como un estado permanentemente estable. La palabra clima significa en griego inclinación y se refería a la de la vertical de un lugar respecto al ecuador. Los antiguos viajeros y navegantes no estaban muy conscientes del aspecto dinámico del clima en lo que respecta a la existencia de regímenes de vientos específicos para diversas regiones. Recuérdese que en el Renacimiento los vientos alisios empujaron a los navegantes alrededor del mundo. Fue en el siglo pasado, al interpretarse las huellas de las grandes glaciaciones, que los hombres tomaron conciencia de las variaciones naturales que se dan a lo largo del tiempo en el clima. Propiamente el efecto del calentamiento atmosférico y la teoría del efecto invernadero fueron definidos científicamente por el sueco Svante August Arrhénius (1859-1927), premio Nobel de Química en 1903, quien los relacionó con los grandes ciclos geoquímicos. Arrhénius no da al efecto invernadero connotación catastrófica sino que lo consideraba benéfico. Creía que el efecto invernadero debido a la actividad económica sería una solución técnica para impedir la próxima era glacial. Sin embargo, asocia la modificación del clima con los efectos del uso de combustibles fósiles por las naciones industrializadas.
Figura 34. Contribución al riesgo de contraer cáncer debido a contaminantes tóxicos generados en la combustión de gasolinas.
¿Y qué causa el calentamiento atmosférico, si 99 % de la atmósfera está constituida
por nitrógeno y oxígeno, que no absorben mucho calor? Los científicos han descubierto
que el bióxido de carbono, el vapor de agua, y otros gases (aunque existan como
meras trazas), absorben mucho calor. Por 32 años consecutivos (y hasta la fecha)
la concentración de bióxido de carbono en la atmósfera terrestre ha sido analizada
continuamente y registrada en el observatorio de Mauna Loa, Hawai, por científicos
de la Institución Oceanográfica Scripps y la Administración Nacional Oceánica
y Atmosférica (NOAA por sus siglas en inglés) de EUA. Y
durante este tiempo el nivel de concentración ha aumentado de manera zigzagueante
por las variaciones de primavera y otoño, desde 315 partes por millón (ppm)
en 1958 hasta más de 355 a mediados de 1990. En la figura 35 se muestra la tendencia
alcista del 
en el futuro y el
papel importante que desempeñan las plantas en su control.
La forma ondulante de la curva se debe a que en primavera los árboles se llenan
de hojas, retoños y flores con lo cual absorben más
(el punto mínimo del zigzag), y en el otoño los pierden (sobre todo en las latitudes
septentrionales) con el consecuente abatimiento en la cantidad de
que pueden absorber. Este ciclo natural se repite cada año y, además, cada año
sobreviven menos árboles por la tala indiscriminada y la lluvia ácida, que causan
nuestros imaginativos métodos de ecocidio, y por nuestra enfermiza automanía.
La concentración ascendente del bióxido de carbono atmosférico (el aire atrapado
en el hielo de los témpanos glaciares de hace aproximadamente 100 años contenía
cerca de 280 ppm, o sea 25% menos que en 1990) es una medida irrefutable de
lo que el hombre y sus máquinas han hecho a la atmósfera terrestre. Muchos científicos,
estudiosos de la atmósfera, predicen que nuestro planeta se tornará cada vez
más caliente, pues al quemar más y más combustibles fósiles, pondremos en el
aire más gases que actúan como el vidrio envolvente de un invernadero, atrapando
el calor. Aunque se responsabiliza al
de cerca de 50% del efecto invernadero, existen otros villanos gaseosos.
Figura 35. Concentración de bióxido de carbono en la. atmósfera.
Por ejemplo el metano ( CH4), que contribuye de 10 a 20%, al calentamiento atmosférico, absorbe 20 a 30 veces más calor que el CO2 aunque sólo dura en la atmósfera 10 años, mientras que el CO2 permanece 100 años. El metano ha ido creciendo en su concentración en la atmósfera, debemos recordar que lo produce la descomposición de materia orgánica por bacterias en medios anaeróbicos, o sea exentos de oxígeno y otras fuentes. La mitad de las fuentes de generación de metano son imputables a la actividad humana. En la atmósfera, el metano es oxidado sucesivamente en monóxido de carbono y en bióxido.
Los clorofluorocarbonos (CFC), son otros villanos de la contaminación.
Son gases poderosos que contribuyen al efecto invernadero y reducen la capa
de ozono estratosférica que protege la Tierra. Si esto continúa, la radiación
ultravioleta se incrementa y también el ozono a nivel de suelo. Han sido usados
en los "spray", como gases de refrigeración, y en la fabricación de transistores
y espumas plásticas. Las fuentes mayores de CFC en la atmósfera
son los sistemas de aire acondicionado de los vehículos. No hace diez años,
48% de los automotores nuevos contaban con aire acondicionado, y empleaban anualmente
120 000 toneladas métricas de CFC. Su uso ha sido prohibido en
los vehículos nuevos, después de una trascendente reunión internacional realizada
en Montreal, por su comprobada destrucción de la capa estratosférica de ozono
(el ozono bueno, por supuesto). A esto contribuyen en 20% pero son 16 000 veces
más termoabsorbentes que el y
permanecerán en la atmósfera causando daño al planeta durante 400 años.
La lluvia ácida es el proceso por el cual sustancias ácidas, producidas por el hombre, son depositadas desde la atmósfera hacia los ecosistemas en forma de lluvia o como partículas sólidas muy finas. La acidez se mide en una escala logarítmica (pH) de 1 a 7, donde un valor de 7 significa neutro (ni ácido, ni alcalino). La acidez se incrementa al disminuir los valores de pH.
Como se ve en la figura 36, todas las formas de precipitación con valor de pH igual o menor de 5.6, se clasifican como lluvia ácida, la cual se debe a la absorción del bióxido de carbono por el agua. Una revisión de los datos acerca de las precipitaciones pluviales en regiones diversas, dan un valor promedio global de 5.0 de pH el cual puede ser el valor límite mínimo de referencia para una lluvia "limpia". El valor "natural" del pH de la lluvia varía de región en región dependiendo del clima, el ecosistema y otros factores. Aunque la simplicidad del término lluvia ácida hace pensar en un fenómeno de fácil comprensión, en la figura 37 muestra que incluye complejas y variadas interacciones químicas, físicas y meteorológicas. En los primeros años de la década de 1970, fue que surgió un interés serio por la investigación científica de la lluvia ácida, la que subrayó la contribución de los compuestos de azufre en la acidificación.
Figura 36. Escala de pH para la medición de acidez y basicidad.
Un estudio sueco expuesto en la Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Ambiente Humano (1972, Estocolmo) aseguraba que la lluvia ácida se debía a las emisiones de bióxido de azufre ( SO2) de las carboeléctricas y otras industrias. Los estudios de los años setenta se enfocaron en la deposición de sulfato; los de la década siguiente develaron la contribución de otros contaminantes, precursores, como los óxidos de nitrógeno (NOx) y los compuestos orgánicos volátiles (cov). Actualmente se tiene más o menos bien definida la química global de los compuestos que producen acidez, las fuentes de los contaminantes precursores y la importancia de las emisiones NOx y cov, además del SO2 Este reacciona con iones hidroxilo ( OH—) y produce ácido sulfúrico ( H2SO4) . El NO2 combinado con el agua o con los iones OH— genera ácido nítrico (HNO3). Los radicales o iones hidroxilo ( OH—) se forman entre los cov y los NOx. Todas estas reacciones se efectúan con luz solar y por eso se les llama reacciones fotoquímicas. El H2SO4 y el HNO3 son los mayores contribuyentes del carácter ácido en el fenómeno lluvia ácida.
Los efectos de la lluvia ácida pueden ser devastadores: debilitación y muerte de los árboles (véase lo escuálido de las coníferas que rodean la ciudad de México); acidificación de la tierra y arrastre de nutrientes, y corrosión de monumentos y edificios antiguos. La reducción del contenido de azufre en los combustibles es el primer paso obligado de cualquier programa ambiental.
Figura 37. Ciclo del azufre en el medio ambiente.
TIPOS DE CONTAMINACIÓN POR LA GASOLINA
Los vehículos a motor, se acepta, son la fuente de mayor contaminación ambiental. Los generadores principales de monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx), compuestos orgánicos volátiles (cov), y gases responsables del efecto invernadero ( CO2 y metano). Para asignar responsabilidades cuantitativas a cada villano contaminante, en la figura 38 se muestra la participación porcentual de los automotores en 1990.
También, pese a los esfuerzos hechos por reducir los aditivos de plomo en los combustibles, las emisiones de compuestos de plomo aún son un problema de la calidad del aire. Los vehículos a motor contribuyen con otros contaminantes tóxicos como el benceno, 1.3-butadieno y otros carcinógenos asociados a pequeñas partículas sólidas emitidas por el escape. Ya que la flota de vehículos continúa creciendo, las emisiones de los vehículos a motor y los productos de su transformación en la atmósfera se han convertido en parte importante de casi cualquier problema de contaminación.
La Agencia de Protección Ambiental de EUA enlista las 20 sustancias más peligrosas y prioritarias en su abatimiento en orden decreciente de amenaza. De los primeros cinco, dos están asociados con los carburantes: 1) plomo, 2) arsénico, 3) mercurio, 4) cloruro de vinilo, 5) benceno.
La gasolina genera dos contaminantes: 1) sus vapores, y 2) los productos (generalmente gaseosos) de su combustión.
La evaporación del combustible en algunas partes del sistema motriz contribuyen a la emisión global de hidrocarburos en alrededor de 30% del total de las emisiones de cov de fuentes móviles. Cada vez se imponen regulaciones más estrictas a la emisión de los gases de la combustión vehícular, pero no a la emisión evaporativa, que se hará cada vez más importante. Con las tecnologías disponibles, trampas de carbón activado que absorben cov del tanque del combustible y unidades de recuperación de vapores en las estaciones de gasolina, se podría reducir la emisión evaporativa de 70 a 90%. La volatilidad de las gasolinas es el parámetro a controlar para reducirlas. Las refinerías producen gasolinas para el verano, el invierno y ciertas regiones. La presencia de moléculas de peso ligero en ellas, como el butano, causan que el combustible sea más volátil. Los vapores de la gasolina pueden emanar de la ventilación del ducto de entrada al tanque de la gasolina, o bien del carburador y representan 20% de los contaminantes que arroja un vehículo. Otro 20% proviene del cárter y lo constituyen hidrocarburos con poco CO y pequeñas cantidades de NOx. En los vehículos nuevos 95% de la contaminación viene del escape, y la formación de hidrocarburos, CO2 CO y NOx.
Figura 38. Contribución de los vehículos a la generación de los principales contaminantes.
En el caso ideal de una gasolina 100% de hidrocarburos que fuera totalmente oxidada (la combustión es una reacción de oxidación) durante la combustión en el motor, se producirían sólo dos compuestos: CO2 y vapor de agua. Aunque el primero no es nocivo (de hecho generamos CO2 al quemar nuestra "gasolina" interna: carbohidratos y grasas), cuando se acumula en la atmósfera es el mayor responsable del efecto invernadero. De aquí que, en el mejor de los casos, los gases de la combustión de la gasolina alteren el equilibrio atmosférico. Por cada litro de gasolina consumido por un automotor, unos 2.4 kg de CO2, se van a la atmósfera.
Los óxidos de nitrógeno, NOx, no son producto de la combustión; se forman cuando la presión y la temperatura son muy altos. Controlar las emisiones de NOx es difícil y el único método es reducir la compresión y temperatura de combustión. Pero el motor es un convertidor térmico que libera la energía de la gasolina en forma de calor y la emplea en forma de gases expandidos para empujar el pistón y propulsar el vehículo. Si se disminuyera la presión y la temperatura máxima de combustión no utilizaríamos toda la energía de la gasolina, reduciendo así la eficiencia del motor.
Un accesorio que se ha incorporado al automóvil para abatir la concentración de algunos contaminantes producto de la combustión de la gasolina es el convertidor catalítico que, a diferencia del mofle, sólo un silenciador, incorpora materiales cerámicos de alta tecnología a los cuales se les ha incorporado pequeñas cantidades de metales como platino, paladio y rodio que actúan como catalizadores, éstos son sustancias que aceleran o facilitan una reacción química, lo que implica menor consumo de energía. Muchos procesos químicos en los que se convierten moléculas de un tipo a otro emplean catalizadores, mas es la primera vez que el automovilista se beneficia de éstos, figura 39.
El convertidor catalítico capaz de reducir simultáneamente emisiones de hidrocarburos, CO y NOx, se empleó en México por primera vez en 1991. El platino y el rodio, por medio de reacciones de reducción abastecidas por el calor que portan los gases de combustión eliminan los átomos de oxígeno de las moléculas de NOx para formar nitrógeno y oxígeno; el platino y el paladio, con reacciones de oxidación (al convertidor catalítico se le inyecta aire con este fin) contribuyen a que los hidrocarburos y CO de los gases de escape se transformen en CO2 y H2O. Para que los convertidores catalíticos funcionen correctamente deben cumplir requisitos como:
Figura 39. El convertidor catalítico trimodal.
• Un control preciso de la cantidad de mezcla hidrocarburo/aire que sólo se logra con los nuevos carburadores y sistemas de inyección de combustible. Tener un sensor de oxígeno en los gases de escape.
• Evitar los aditivos con plomo pues causan daños irreversibles al convertidor catalítico.
EL CONVERTIDOR FRÍO Y SUS CONSECUENCIAS
Persiste un problema con los convertidores: al encenderse el motor tardan unos minutos en llegar a la temperatura óptima de operación. El catalizador es un sólido que acelera las reacciones de conversión de los gases nocivos en otros que lo son menos, mas para realizar esta operación debe alcanzar la temperatura en la cual es eficiente. Al poner en marcha un automóvil tras un periodo de un par de horas de no usarlo, los gases de emisión llegarán al catalizador que se encuentra a una temperatura más baja de la que requiere, y se considera que el tiempo que le lleva alcanzar su temperatura óptima hace que se produzcan más hidrocarburos nocivos de los que se generarán ya en marcha normal.
Entre 70 y 80% de hidrocarburos —otros que el metano—escapan a la conversión del catalizador en los dos minutos después de encender el auto. Si se acostumbra hacer viajes frecuentes y cortos en que el motor esté frío, se contaminará como si no tuviera convertidor catalítico. Por eso se piensa fabricar convertidores catalíticos que vayan más cerca del motor y aprovechar el calor generado de la combustión, así como dispositivos que se calientan rápidamente, mediante resistencias eléctricas, capaces de reducir las emisiones de NOx y CO (50% más) y las de hidrocarburos (85% más). En la siguiente tabla se muestran algunos resultados comparativos de los gases de emisión utilizando diferentes tecnologías. El tiempo de vida media de un convertidor catalítico es de unos 150 000 km, pero varía con el mantenimiento y la gasolina utilizada.
Valores de los gases de emisión con varios controles técnicos para vehículos ligeros
*Materia en forma de partículas
a Los motores de 2 cilindros pueden tener emisiones de hidrocarburos hasta 9 veces más altas, del orden de 16 g/km.
b Los estándares actuales de la Comunidad Europea registran el valor de la suma de (HC + NOx).
c M85=Combustible con 85% metanol; E85=Combustible con 85% etanol.
d CNG=Gas natural comprimido; LPG=Gas licuado LPG.
¿SE PUEDE CONTAMINAR IMPUNEMENTE?
Como vimos, muchas cifras y datos se basan en mediciones de laboratorio, que no reflejan las condiciones del mundo real. Pero en la selva de automóviles de una gran ciudad, ¿quién contamina más? Existen sistemas de medición remota, el más famoso es el desarrollado por investigadores de la Universidad de Denver, que mide la relación monóxido de carbono/bióxido de carbono y la de hidrocarburos/bióxido de carbono, directamente de las emisiones de los automóviles que cruzan un rayo infrarrojo situado en una calle, a 25 centímetros sobre la superficie. El sistema incluye un video que graba la placa del auto, día, hora y concentración. El sistema puede funcionar en autopistas de hasta 18 m de amplitud. Sin embargo, la lluvia puede provocar la dispersión del rayo. El aparato puede medir 1000 vehículos por hora. En un experimento, se midió la emisión de 10 000 autos, y se concluyó que la mitad del monóxido de carbono emitido provenía del 10% de los vehículos, más aún, los 47 autos más contaminadores emitían tanto monóxido como 2 500 de los más limpios. La conclusión irónica es que la identificación, reparación o eliminación de los autos más sucios puede tener un costo-beneficio mayor que todo el programa de reformulación de gasolinas y adición de oxigenados, si bien estos últimos, al sustituir a los aromáticos, tienen efecto benéfico. Los autos más viejos son siempre los más contaminantes, pues los coches "afinados" para obtener más potencia se convierten en grandes contaminadores.
Vivimos en un planeta misericordioso, con mecanismos complejos y eficientes que eliminan los contaminantes naturales. El proceso de putrefacción, la neblina marina y las erupciones volcánicas liberan más azufre que todas las plantas generadoras de energía, siderúrgicas e industrias. Los relámpagos crean óxidos de nitrógeno como los automóviles y los hornos industriales, y los árboles emiten hidrocarburos llamados terpenos. Y entonces, ¿para qué preocuparnos si nuestro planeta puede de alguna manera compleja hacer frente a los contaminantes?
Durante millones de años esas sustancias se han reciclado a través del ecosistema, cambiando de forma. Pasan a través de los tejidos de plantas y animales, se hunden en el océano, regresan al seno de la tierra y en una erupción o un terremoto vuelven a la superficie o la atmósfera para reiniciar el interminable ciclo. Un átomo de oxígeno lo completa cada 2 000 años. Una bocanada del aire que usted respira en este momento pudiera contener el mismo oxígeno que inspiró a Newton.
¿Podrá nuestro planeta soportar las 80 millones de toneladas de azufre adicionales que arrojamos cada año? ¿Qué será de las plantas que absorben los óxidos de nitrógeno (NOx) adicionales que generan los relámpagos miniatura dentro de los automotores? ¿Resistirá la atmósfera las cargas extra de bióxido de carbono, metano y clorofluorocarbonos que, dicen los científicos, provocarán el incremento global de la temperatura por el efecto invernadero? Tal vez el planeta pueda adaptarse con el tiempo, siempre lo ha hecho pero... ¿podremos hacer lo mismo? La sobrecarga de contaminantes puede alterar la vida, y esto podría ser para siempre.
Dice el proverbio que "tanto peca el que mata la vaca como el que le agarra la pata". Los consumidores de gasolina son tan culpables como los fabricantes de autos o gasolina. Esta mutua culpabilidad implica la interdependencia que nos hace posible distanciarnos de ella por medio de una concientización respecto al uso del automóvil. Recuerde a las hormigas, que desde una escala apropiada llegan a construir hormigueros del tamaño de una montaña, transportando cada individuo sólo un guijarro a la vez. Así será posible disminuir la cantidad de contaminantes.
Parece que la idea de progreso está ligada a la posesión de un auto y éstos distan mucho de ser máquinas perfectas. No sólo desde el punto de vista termodinámico (¡muy poca de la energía generada en la combustión del motor mueve el auto!) sino desde el punto de vista ambiental que, como vimos, es una caja que emite un coctel de sustancias tóxicas que pueden envenenarnos y podrían contribuir a cambiar para siempre el equilibrio ecológico del planeta.
Esta concientización pretende cambiar el acto mecánico e irracional de tomar las llaves del automóvil y conducir, por otro acto en el que participen la razón, el sentido común y el respeto ambiental. Sólo existe una recomendación: use su automóvil de manera inteligente.
TECNOLOGÍA AUTOMOTRIZ: DEL DISEÑO CAPRICHOSO AL RESPETO AMBIENTAL
El lector debe estar familiarizado con las películas de los años sesenta y setenta, donde el actor corría en un automóvil con enormes alerones posteriores que típificaban la idea de la belleza en los autos. Pues hay malas noticias, a sólo veinte años ya no encajan en nuestra idea de superhéroes, ni los actores ni sus mastodontes automotrices.
Ahora, el diseño de los automóviles no obedece al capricho de la moda sino a las necesidades de la tecnología y el sentido común (esa lógica oculta que llevamos todos y que pocos podemos definir). La tecnología ha creado materiales que mejoran el automóvil: plásticos, aleaciones metálicas ligeras, motores y gasolinas más eficientes, etc. Pero es el sentido común el que impone las nuevas reglas de diseño que nos lleva a considerar el medio ambiente. No por capricho la carrocería se ha vuelto "redondeada" o en términos técnicos, que se haya vuelto más aerodinámica para oponer menor resistencia al aire, ahorrar combustible y contaminar menos. Note en la figura 40 la evolución de la carrocería de los coches de 1922 a la fecha. La crisis petrolera de 1980 elevó el precio del crudo y marcó el inicio de iniciativas enfocadas a hacer más eficiente la gasolina y a generar la busca de fuentes de energía alterna. La fuerza motriz de estos esfuerzos era económica y no importaban los humores gaseosos de los automóviles. El sentido común vuelve a imperar en los años noventa cuando se puso atención en las consecuencias de generar gran cantidad de tóxicos volátiles.
El medio ambiente y la atmósfera imponen ahora las reglas del juego en el diseño de coches. Los caprichos artísticos y las tecnologías per se son menos importantes que la relación automotor-medio ambiente. La tecnología automotriz progresa vigilada por una creciente conciencia ecológica en forma de leyes y reglamentaciones cada vez más estrictas. El propósito de este libro no es, sin embargo, ponerlo en rebelión contra su vehículo o las gasolinas, sino ofrecer una perspectiva realista y más completa de las implicaciones de ser propietario de un auto.
Figura 40. Transformación de la carrocería de los automóviles a través de los años.
En la actualidad son comunes los prototipos de autos con tecnologías diferentes a la sopa de hidrocarburos con que creció el corcel mecánico: la carrocería va forrada por costosas celdas solares, lo impulsan pesadas baterías o celdas de combustible o una combinación de algunas o todas. Seamos realistas, aunque no está lejos el día en que las energías alternativas reemplacen el motor de combustión interna, los automotores de gasolina y diesel dominarán los caminos por varios decenios. El precio del petróleo es menor que otro tipo de energía y existe una enorme infraestructura económica: refinerías, gasolinerías, industria automovilística, talleres mecánicos, etc. Miles de empleos dependen de ella directa o indirectamente y sería imprudente un cambio drástico.
El lector debe enterarse del cambio que experimentará el automóvil en el futuro cercano. Todo indica que lo más viable es incrementar su eficiencia, que rinda más con menos gasolina. Como el automóvil está constituido por cientos de partes, cada una con su función definida, primero localicemos las deficiencias energéticas que aporta cada una. Por ejemplo, el consumo de combustible es mayor en lugares donde el tránsito es pesado, cuando se arranca y se frena con más frecuencia. El término "carga de uso final" define cualquier aspecto de la operación del vehículo que consuma la energía provista por el motor; pueden ser pérdidas en forma de energía calorífica en el frenado, la fricción de las llantas, la fricción y la resistencia aerodinámicas y accesorios como el aire acondicionado. La energía necesaria para enfrentar estas cargas se multiplica por la necesidad de sobreponerse a las pérdidas a través del sistema de transmisión que integran el motor, la transmisión y los componentes asociados que convierten la energía química del combustible en energía mecánica útil que mueve también los accesorios. Tomando en cuenta la termodinámica de la combustión y la fricción, sólo un sexto de la energía de la gasolina se emplea en las "cargas de uso final", los sistemas de transmisión actuales son eficientes en sólo 17 por ciento.
En la figura 41 se ilustra el incremento en el consumo de energía, en términos de litros de gasolina, en los más importantes componentes del auto: la energía perdida en neumáticos, resistencia aerodinámica, frenado y accesorios. Los requerimientos energéticos se multiplican por 1.11 para sobreponerse a la fricción de la transmisión, y después por un factor igual a 2.2 para vencer la fricción del motor. Finalmente, las pérdidas durante la combustión (recuérdese que la energía de la combustión se pierde en forma de calor) incrementan la demanda energética 2.5 veces más. Así, el uso de nuevos materiales, diseños y tecnologías que minimicen las pérdidas en las etapas iniciales incrementará la eficiencia total.
Irónicamente, una de las mayores cargas que soporta el vehículo es su propio peso. Un vehículo liviano requiere menos energía y puede emplear un sistema de transmisión pequeño. Aunque este análisis lleva a reducir el tamaño del coche, nos referimos más bien al empleo de materiales más resistentes y ligeros, sin sacrificar tamaño ni capacidad de carga.
Los diseños más redondeados de la carrocería han reducido la resistencia aerodinámica en 25%, como se ve en la figura 40.
Un refinamiento de más trascendencia en el motor es la inyección de combustible efectuada en los cilindros del motor. La manipulación cuidadosa del flujo de la mezcla comburente y los gases de la combustión a través de los cilindros puede aumentar considerablemente la eficiencia mecánica. En los motores comunes, el cuándo y hasta dónde se abren las válvulas depende de la posición del pistón, pero no de la velocidad del motor o de la carga. Las nuevas capacidades de medición y control electrónicos y métodos de manufactura muy precisos hacen posible el control variable de las válvulas. Esta técnica mejora considerablemente los flujos de entrada y salida en el cilindro en una gama amplia de condiciones. La mayor apertura de las válvulas incrementa la potencia, permitiendo la reducción en el desplazamiento de los pistones. Antes, su alto costo limitaba la instalación de mecanismos de control variable de válvulas. Ahora el diseño avanzado y las técnicas de ensamble permiten su amplia aplicación. Desde finales de los años ochenta, los fabricantes japoneses han aumentado la incorporación del control variable de válvulas en Japón y en EUA.
Sea pesado o ligero el vehículo, las ineficiencias del sistema de transmisión causan daño en la economía del combustible. Para mejorar el sistema de transmisión hay que reducir la fricción del motor, que consume 50% del combustible. Dentro del motor, el movimiento ascendente y descendente de los pistones a través de los cilindros provoca fricción. El volumen combinado de los pistones se llama desplazamiento del motor. Un motor grande proporcionará mayor potencia, pero pagará el precio de mayor fricción. La fricción por rozamiento se da en las autopartes: válvulas, pistones y árbol de levas, entre otros. Hay pérdidas por fricción en el abanico del radiador y la bomba de agua. También hay fricción de bombeo cuando la mezcla de aire y combustible se introduce en los cilindros y es expelida como gases de combustión. Sitio particular de fricción de bombeo es la válvula de admisión que controla la entrada de aire al motor. Sólo los refinamientos en diseño, manufactura, materiales y lubricación, minimizarán la fricción.
Figura 41. Requerimientos energéticos de los componentes de un automóvil.
Otro refinamiento de la tecnología del motor es la sustitución del motor de cuatro tiempos por el de dos tiempos. Éste sólo contiene dos pistones y menor área interna de rozamiento por fricción, lo que resulta en menos pérdidas friccionales.
La compañía japonesa Kyocera ha dirigido sus esfuerzos a crear un prototipo de motor fabricado de material cerámico de alta tecnología, que sustituiría al hecho de hierro forjado. Sería más ligero y con menos pérdida calorífica. El aumento en temperatura de la combustión hará el proceso más eficiente, pero generará más óxidos de nitrógeno. Se requerirá de un convertidor catalítico más eficiente.
En Los Ángeles, EUA, un informe oficial indicó que los automóviles ocupan un espacio bastante mayor que los habitantes, y no se pasó de allí. En Europa sí se toman medidas al respecto. Eduardo Galeano, columnista de La Jornada escribe que en 1992, en un plebiscito en Amsterdam, Holanda, los habitantes votaron por reducir el espacio que ocupan los autos, ya bastante limitado, a la mitad. Tres años después en Florencia, Italia, se prohibió el tránsito de coches privados en el centro de la ciudad y se espera que se extienda al resto a medida que se multipliquen las vías de transporte público, las vías peatonales y las ciclovías (caminos exclusivos para las silenciosas, no contaminantes y quema-grasas bicicletas, inventadas hace 500 años por otro vecino de Florencia: Leonardo da Vinci). "La salud no es negociable", declaró el responsable de los transportes de Florencia, en 1996, y añadía que será "la primera ciudad europea libre de automóviles".
Amsterdam y Florencia son excepciones a la regla. El mundo se ha motorizado aceleradamente a medida que crecen las ciudades y con el desgano e indiferencia competitiva del transporte público que ha quedado rezagado. En Alemania, en 1950, trenes, metro y tranvías transportaban 75% de las personas y ahora sólo 20%. El promedio de personas transportadas en Europa por medios públicos es 25%, elevado si se compara con 4% en EUA donde el automóvil ha aniquilado al transporte público.
En México poco se ha hecho por desmotorizar las ciudades y devolvérselas a sus habitantes. En Monterrey y en Mexicali, la remodelación de sus edificios gubernamentales dio lugar a una Macroplaza y un Centro Cívico, donde sólo peatones y bicicletas tienen acceso. Sin embargo, no se ha extendido al resto de Monterrey o Mexicali, ni ha sido imitada por otras ciudades que más lo necesitan. El D. F., Querétaro, Guanajuato, Puebla y San Luis Potosí, bellas ciudades coloniales donde sus centros históricos con magníficas obras arquitectónicas han sido invadidos por las cajas humeantes de cuatro ruedas.
Las estrictas reglamentaciones acerca de las emisiones contaminantes han impuesto grandes cambios a la reformulación de la gasolina, costo que se verá reflejado en incrementos cada vez mayores al precio por litro de la gasolina. Además, como el petróleo es un recurso no renovable y finito, no está lejos el día en que las reservas mundiales escaseen y el precio de los carburantes sea prohibitivo. Lo que tal vez reduzca el uso del auto. Pero el auto en sí es un material contaminante. ¿Qué se hará con tanta chatarra?
REDUCCIÓN, REUSO Y RECICLADO DE DESECHOS
Los desechos son, generalmente, materiales cuyo destino final será el basurero si se trata de sólidos, su tratamiento y ser vertidos en acuíferos o su emisión a la atmósfera. Las tendencias actuales demandan su reducción, su reutilización o su reciclado y estas opciones constituyen la medida del desempeño ambiental. La protección del ambiente es elemento crítico del funcionamiento de una industria, y el aspecto ambiental se toma cada vez más en cuenta junto con el costo, la calidad y el desempeño, para calificar los beneficios económicos. Por esta nueva conciencia ambiental los materiales de construcción de los autos tienden a reutilizarse o reciclarse. Los huaraches o sandalias con suela de llanta son ejemplo de la reutilización de neumáticos. En algunos hipódromos de Inglaterra se ponen llantas picadas en la pista para amortiguar el golpe de las pezuñas de los caballos contra el suelo. El hierro de la carrocería, el chasís, el motor, el sistema de transmisión, etc., los hace reciclables. Sin embargo, la mayoría de los plásticos y fibras sintéticas del interior del automóvil son difíciles de reciclar.
En la actualidad, las preocupaciones por el medio ambiente de una compañía deben de ir más allá de la generación de desechos o el uso de energía. Muchos factores dictan la necesidad de poner atención al diseño de producción y a lo que sucede al producto terminada su vida útil. Que un producto sea ambientalmente compatible se relaciona con la experimentación y el conocimiento del ciclo de vida del producto. Los métodos desarrollados van del análisis cuantitativo riguroso a evaluaciones cualitativas. El Análisis del Ciclo de Vida de un producto valora cuantitativamente y de la manera más comprensiva posible las consecuencias ambientales de un producto, empaque, proceso o práctica. Considera la entrada de materias primas y el gasto de energéticos y las salidas relacionadas con la manufactura, uso y eliminación del producto, incluyendo el riesgo ambiental. El análisis del ciclo de vida de un producto no implica análisis cuantitativos o cualitativos rigurosos de todo el impacto ambiental durante el ciclo. El diseño puede ser mejorado al considerar el periodo útil de los productos y los pasos a seguir para desarrollar productos de calidad ambiental superior.
En el primer estadio del análisis, la adquisición de los materiales es importante desde el punto de vista del ambiente y de las perspectivas de calidad de las materias primas. En el segundo, manufactura o producción, las estrategias son conocidas. Se debe reducir al mínimo la emisión de gases contaminantes, disminuir los desechos sólidos y líquidos, conservar el agua y la energía, reducir la toxicidad (asegurando la salud y seguridad de los trabajadores durante la producción) y no comprometer la salud y seguridad de los compradores recicladores y manejadores de desechos. Las compañías deben buscar también nuevos usos de los desechos o maneras de convertirlos en recursos cambiando los procesos de producción. En el tercer estadio, las empresas deben de considerar también la venta de funciones en lugar de la de productos. Por ejemplo vender comunicación en lugar de teléfonos, refrigeración en lugar de refrigeradores, transporte en vez de automóviles.
Esto requiere de sistemas organizacionales y funcionales de estrategias que incluyan ingeniería preventiva, sistemas de diseño flexibles y sistemas de construcción, productos y componentes que requieran un mínimo de mantenimiento. Deberá incluirse el desarrollo de diseños modulares que se adapten a las necesidades tecnológicas y de los usuarios a través del escalamiento. Finalmente, cambiar venta por funciones requerirá el manejo del riesgo y la satisfacción del usuario en todos los niveles del proceso de manufactura, entrega, uso, y disposición dentro del sistema del cual el producto es un componente.
El estado final de un producto es la manera en la que es desechado por el usuario. La atención al respecto proporciona otra oportunidad en su mejoramiento. La eliminación de materiales tóxicos de un producto será una medida prudente si al final de su uso éste únicamente se tira. Si puede ser reutilizado o refabricado, se le diseñará para que tenga largo tiempo de vida y que sea fácilmente reciclable. Así, debe disminuir la diversidad de las materias primas que se utilizan en su elaboración.
Los primeros pasos para lograr que una empresa entre al desarrollo sustentable serán la identificación de los problemas técnicos más críticos, investigar o implementar programas experimentales con participación de recursos de la empresa y del gobierno. En un contexto amplio, los esfuerzos de una empresa relacionados con los aspectos ambientales son el centro de un movimiento hacia una economía que alcance un equilibrio saludable entre los recursos de la Tierra y los ecosistemas.
La industria, en su papel de transformador primario de la energía y los materiales desempeña un papel crítico en los esfuerzos por un desarrollo económico sustentable. Sin embargo, cada vez es más claro que las empresas pueden determinar las consecuencias ambientales de sus acciones. La ecología industrial ilustra cómo el cambio en ciertos factores, como la adquisición de las materias primas, los procesos de producción, el diseño de los productos, la evaluación de los aspectos regulatorios y de mercado, las estrategias de manejo, el comportamiento del consumidor, así como las tecnologías desarrolladas para mitigar los efectos, pueden mejorar o degradar la calidad del ambiente.
En este sentido la evolución de este campo sentará las bases de una visión global de lo que se debe hacer para mantener y mejorar el ambiente natural.
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