Fronteras para el sector Ambiente y Energía

3.1  Mecanismos para transformar carbono secuestrado en elementos para la construcción eficientemente

Los niveles de compuesto de carbono atmosféricos actuales son los más altos registrados desde más de 120 mil años. Además de las estrategias de reducción de uso de combustibles fósiles, es necesario descarbonificar la atmósfera. Una alternativa, inspirada en cómo las plantas convierten CO2 en azúcares y proteínas estructurales, es la captura de CO2 y otros compuestos carbónicos para el desarrollo de materiales de construcción orientados a distintos ambientes. En particular, la nanotecnología de compuestos de carbono permite convertir mediante distintos procesos el CO2 en distintas formas alotrópicas de carbono nanoestructuradas para aplicaciones de alto valor agregado. Dado que la densidad de un sólido es mayor que la de un gas en condiciones ambientales, este método es altamente efectivo en evitar el repropósito de compuestos de carbono en más combustibles fósiles. Los siguientes son los factores de control para este reto:

  • Fuentes de emisión de CO2 ambientales
  • Concentración de las emisiones
  • Efectividad de adsorción de los mecanismos de secuestramiento
  • Energía requerida para la separación del carbono

 3.2     Tecnologías para la biorremediación de recursos hidrográficos a gran escala

El crecimiento urbano orgánico en muchas ciudades modernas ha llevado a un fuerte grado de contaminación riesgos de las fuentes hídricas de acceso inmediato con impacto en las subterráneas, lo que crea condiciones desde pobreza hasta inestabilidad internacional. Además de las intervenciones culturales para cambiar comportamientos ecológicamente negativos en la población y los proyectos de tratamiento de aguas, es indispensable contar con mecanismos que permitan biorremediar a gran escala cuerpos de agua hasta alcanzar niveles ecológicos saludables en tiempos razonables y de manera ambientalmente amigable. A continuación se describen los factores de control de este reto:

  • Valores de DBO, DQO y COT para diferentes mediciones a lo largo del cuerpo de agua a biorremediar
  • Tipos y proporciones estimadas de los contaminantes
  • Reactividad de los contaminantes

3.3  Tecnologías de horizonte infinito de planificación para integración de recursos no gestionables a redes eléctricas inteligentes

La aplicabilidad y evolución de Smart Grids depende de las tecnologías de información y comunicación subyacentes. En particular, la capacidad de trasladar el control de la asignación de potencia a distintos niveles -suponiendo la existencia de fuentes de almacenamiento a gran escala como mecanismos compensatorios- depende de la existencia de dispositivos autónomos. Es necesario que estos aprendan el comportamiento de consumo, regulen el uso energético a pequeña escala sin afectar el rendimiento de hogares e industrial y que sean capaces de operar tanto a tiempo real como hacia un horizonte infinito en el tiempo. Los factores de control de este reto se describen a continuación:

  • Diseño de la red eléctrica
  • Tipo de unidad básica de consumo (hogar, industria, médico)
  • Nivel de riesgo para fallas de energía críticas
  • Variaciones periódicas de consumo
  • Variaciones aperiódicas de consumo

3.4  Aprovechamiento de biomasa para producción energética y de otros bienes, productos y servicios a nivel industrial

La cantidad de biomasa que se produce en la agroindustria es un factor de contaminación central, particularmente en la emisión de gases de efecto invernadero. Sin embargo, existe una riqueza no explotada hacia producción de energía mediante paradigmas de biorrefinería con catálisis amigable con el ambiente. En particular, la conversión de lignina, celulosa y almidón en energía química, mecánica y eléctrica de bajas o cero emisiones de carbono es un objetivo atractivo en el corto plazo. Al igual que en el caso de productos agrícolas, la producción de energía puede acoplarse con obtención de sustancias de alto valor agregado. Los factores de control de este reto se describen a continuación:

  • Composición de la biomasa
  • Homogeneidad de la composición de la biomasa
  • Contenido calórico de la biomasa
  • Intersección de la composición de la biomasa con nuevos materiales requeridos en el sector energía

3.5  Desarrollo de baterías de ultra alto rendimiento y factor de forma reducido

El factor que limita las posibilidades tecnológicas de los dispositivos electrónicos no conectados a una red eléctrica en la actualidad es la capacidad de carga de baterías en todos los contextos, principalmente de aquellas que utilizan litio. El desarrollo de nuevas baterías, que sean ultraligeras y con al menos un orden de magnitud más en su capacidad de carga. La capacidad de identificar propiedades de nuevos materiales con superconductividad en condiciones cercanas a temperatura ambiente, la existencia de supercapacitores y la capacidad de disminuir la disipación térmica mediante estos fenómenos son parte de la vía hacia baterías de ultra larga duración y factor de forma reducido. Los factores de control para este reto se indican a continuación:

  • Capacitancia y resistividad de materiales
  • Comportamiento de materiales a ultrabajas temperaturas
  • Capacidad de aislamiento de sistemas cuánticos para prevención de decoherencia

3.6  Intervenciones ecológicamente sostenibles en zonas con fuentes naturales de riesgo

Los riesgos naturales son una de las principales fuentes de gasto e inversión pública en todo el mundo. En particular, la materialización del desastre natural se agrava cuando, por situaciones socioeconómicas y políticas, existen asentamientos humanos en condiciones de riesgo. Para algunos casos, las intervenciones para eliminar o mitigar la vulnerabilidad requieren modificaciones del entorno con un impacto ecológico negativo. Sin embargo, mediante diferentes herramientas, es posible diseñar e implementar intervenciones ecológicamente sostenibles para mitigar los factores de riesgo, tendientes a una relocalización humana basada en diseños urbanos racionales. El adquirir experticia en el diseño de estas soluciones permite la creación de emprendimiento de muy alto valor, con sostenibilidad de largo plazo, y con visión internacional. Los siguientes son los factores de control para el reto:

  • Condiciones geográficas del entorno
  • Procesos geofísicos activos conocidos
  • Probabilidad de activación de procesos geológicos inactivos
  • Infraestructura existente
  • Conflictos de interés humanos futuros con respecto a fragilidad ambiental
  • Densidad de información para el área afectada

3.7  Desarrollo de fuentes de energía y tecnologías de siguiente generación basadas en fusión e hidrógeno

La dependencia de combustibles fósiles solamente puede eliminarse al utilizar tecnologías que no requieran hidrocarburos para generar energía. Dos fuentes que han demostrado ser efectivas en pequeña escala son la fusión nuclear en dispositivos de confinamiento magnético de pequeña escala y el hidrógeno producido y almacenado mediante electrocatálisis. Con la tecnología actual, es indispensable encontrar mecanismos para la reducción del factor de forma, la eficiencia de entrega de energía y la integración a sistemas de energía. Adicional a los casos de uso para producción de energía masiva, es indispensable diseñar dispositivos de tamaño reducido y uso más frecuente en aplicaciones específicas. Los factores de control de este reto son los siguientes:

  • Densidad energética por unidad de material necesaria para generar electricidad
  • Capacidad de confinamiento energético sin decaimiento
  • Capacidad de conversión desde la fuente energética hacia sistemas eléctricos

3.8  Desarrollo de variedades de semilla con resiliencia eco sistémica al cambio climático

Uno de los mayores riesgos para la supervivencia humana es la extensión paulatina de especies comestibles. En particular, y aunado al reto de preservar la diversidad ecológica en agricultura, contar con estrategias de intervención mediante ingeniería genética y ecología es clave para evitar la reducción drástica en la disponibilidad alimentaria estimada para antes de que finalice el presente siglo. A continuación se presentan los factores de control para este reto:

  • Estimados de cambio climático para la región a ser intervenida
  • Tratos vegetales y animales con afectación potencial por estrés ante cambio climático
  • Tratos vegetales y animales de otras especies con potencial transgénico en especies productivas
  • Contexto genético de simbiosis con otras especies potencialmente presentes en el ambiente de producción

3.9  Métodos novedosos de captura y purificación ambiental de agua en escalas industriales

El fomento de industria de alta tecnología en manufactura debe acoplarse con un análisis riguroso de los contaminantes emergentes, y de las medidas para eliminarlos de aguas residuales por su peligrosidad. Existe un creciente cuerpo de conocimiento alrededor de medidas para captura y repropósito de contaminantes emergentes en distintas industrias. A continuación se listan los factores de control para este reto:

  • Reactividad y afinidad química de los contaminantes emergente
  • Disponibilidad de microorganismos y plantas capaces de efectuar biorremediación de contaminantes emergentes sin transgénesis
  • Posibles intervenciones de transgénesis para procesar contaminantes emergentes
  • Vías de biosíntesis y posibles productos de alto valor derivados

3.10  Métodos de química verde para procesos catalíticos industriales

Los procesos de catálisis tienden a ser los causantes de problemas ambientales en mayor proporción. A pesar de esfuerzos en la optimización catalítica en diversos pasos de manufactura, existen residuos que no pueden ser reprocesados con un costo efectivo o que requieren cantidades de energía externa significativas. Los factores de control para este reto se detallan a continuación:

  • Ubicación de los pasos catalíticos en un sistema de producción
  • Reactivos y productos de las reacciones catalíticas
  • Tipo de reacción catalítica
  • Posibles sustituciones existentes para catálisis
  • Propiedades necesarias para especificación de biosustancias catalíticas sintéticas