Los investigadores proponen luchar contra la erosión costera con la electricidad en un proceso ecológico y reversible

Una nueva investigación de la Universidad Northwestern ha demostrado sistemáticamente que una leve descarga eléctrica 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.

De manera similar, los investigadores aprovecharon los mismos minerales disueltos que se encuentran en la naturaleza para formar un cemento natural entre los granos de arena empapados por el mar. Pero, en lugar de utilizar energía metabólica como lo hacen los moluscos, los investigadores utilizaron energía eléctrica para estimular la reacción química.

En experimentos de laboratorio, una corriente eléctrica suave cambió instantáneamente la estructura de la arena marina, transformándola en un sólido inamovible similar a una roca. Los investigadores esperan que esta estrategia pueda ofrecer una solución duradera, económica y sostenible para reforzar las costas del mundo.

El estudio, titulado y traducido al castellano "Electrodeposición de cemento calcáreo a partir de agua de mar en arenas de sílice marinas", aparece en la revista Communications Earth & Environment.

Erosión costera y cambio climático: hacia un cemento natural

"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 tierra, 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.

"Mi objetivo era desarrollar un método capaz de cambiar el status quo en materia de protección costera, que no requiriera la construcción de estructuras de protección y que pudiera cimentar los sustratos marinos sin utilizar cemento real. Mediante la aplicación de una estimulación eléctrica suave a los suelos marinos, demostramos sistemáticamente y de manera mecánica que es posible cimentarlos convirtiendo los minerales disueltos naturalmente en el agua de mar en aglutinantes minerales sólidos: un cemento natural".

Los diques marinos también se erosionan

Desde la intensificación de las borrascas y ciclones tropicales 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 del planeta desaparecerán a finales de este siglo.

Para mitigar este problema, las comunidades han implementado dos enfoques principales: construir estructuras y barreras de protección, como diques marinos, o inyectar cemento en el suelo para reforzar los sustratos marinos, que en su mayoría están compuestos de arena. Pero estas estrategias conllevan múltiples problemas. Estos métodos convencionales no solo son extremadamente costosos, sino que además no son duraderos.

"Los diques marinos también sufren erosión", dijo Rotta Loria coautora del estudio. "Así que, con el tiempo, la arena debajo de estos muros se erosiona y los muros pueden acabar derrumbándose. A menudo, las estructuras de protección están hechas de piedras grandes, que cuestan millones de dólares por milla. Sin embargo, la arena debajo de ellas puede básicamente licuarse 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 presenta una serie de inconvenientes ambientales irreversibles. Además, suele requerir altas presiones y cantidades significativas de energía interconectadas".

Transformando iones en pegamento

Para evitar estos problemas, Rotta Loria y su equipo desarrollaron una técnica más sencilla, inspirada en los corales y los moluscos. El agua de mar contiene de forma natural una gran cantidad de iones y minerales disueltos.

Asimismo, con un voltaje ligeramente superior (4 voltios), estos componentes 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 que une las partículas de arena. En el laboratorio, el proceso también funcionó con todo tipo de arenas, desde arenas de sílice y calcáreas comunes hasta arenas de hierro, que suelen encontrarse cerca de los volcanes.

"Después de ser tratada, la arena parece una roca", dijo Rotta Loria. "Está quieta y es sólida, en lugar de granular e incohesiva. Los minerales en sí son mucho más fuertes que el hormigón, por lo que la arena resultante podría llegar a ser tan fuerte y sólida como un dique marino".

Si bien los minerales se forman instantáneamente después de aplicar la corriente, las estimulaciones eléctricas más prolongadas producen resultados más sustanciales. "Hemos notado resultados notables con solo unos pocos días de estimulación", dijo Rotta Loria. "Luego, la arena tratada debería permanecer en su lugar, sin necesidad de más intervenciones".

Ecológico y reversible

Rotta Loria predice que la arena tratada debería mantener su durabilidad, protegiendo las costas y las propiedades durante décadas.

Rotta Loria también afirma que no hay necesidad de preocuparse por los efectos negativos sobre 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 casos, ninguna criatura marina resultó dañada.

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 intercambian los electrodos del ánodo y el cátodo de la batería, la electricidad disuelve los minerales, deshaciendo así el proceso.

"Los minerales se forman porque elevamos localmente el pH del agua de mar alrededor de las interfaces catódicas", dijo Rotta Loria. "Si se intercambia el ánodo con el cátodo, se producen reducciones localizadas del pH que disuelven los minerales previamente precipitados".

Coste competitivo, innumerables aplicaciones

El proceso ofrece una alternativa económica a los métodos convencionales. Tras analizar las cifras, el equipo de Rotta Loria calcula que su proceso cuesta sólo entre 3 y 6 dólares por metro cúbico de suelo cementado eléctricamente. Otros métodos comparables más establecidos, que utilizan aglutinantes para adherir y reforzar la arena, cuestan hasta 70 dólares por el mismo volumen unitario.

Las investigaciones realizadas en el laboratorio de Rotta Loria demuestran que este método también puede reparar estructuras agrietadas hechas de hormigón armado. Gran parte de la infraestructura costera actual está hecha de hormigón armado, que se desintegra debido a los efectos complejos provocados por el aumento del nivel del mar , la erosión y las condiciones meteorológicas extremas. Si estas estructuras se agrietan, el nuevo método evita la necesidad de reconstruir por completo la infraestructura. En cambio, un pulso de electricidad puede reparar grietas potencialmente destructivas.

"Las aplicaciones de este enfoque son innumerables", dijo Rotta Loria. "Podemos usarlo para reforzar el lecho marino debajo de los diques o estabilizar las dunas de arena y retener las pendientes inestables del suelo. También podríamos usarlo para reforzar las estructuras de protección, los cimientos marinos y muchas otras cosas. Hay muchas formas de aplicar esto para proteger las áreas costeras".

A continuación, el equipo de Rotta Loria planea probar la técnica fuera del laboratorio y en la playa.

Referencia

Landivar Macias, A., Jacobsen, S.D. & Rotta Loria, A.F. Electrodeposition of calcareous cement from seawater in marine silica sands. Commun Earth Environ 5, 442 (2024). https://doi.org/10.1038/s43247-024-01604-3