La humanidad tiene un apetito insaciable de amoníaco. Esta sustancia se utiliza para fabricar fertilizantes, que a su vez se emplean en la mayor parte de la agricultura moderna, garantizando que los cereales, las remolachas y las patatas broten lo más exuberantemente posible para que los platos estén bien llenos. El nitrógeno es el motor del crecimiento vegetal; sin él, los cultivos no desarrollan hojas, tallos y su rendimiento es muy bajo. El amoníaco (NH₃) es una fuente crucial de nitrógeno, uno de los nutrientes esenciales para el crecimiento de las plantas, fundamental para la síntesis de biomoléculas como las proteínas o los ácidos nucleicos (ADN y ARN).
¿Qué es el Amoníaco?
El amoníaco es un gas incoloro con un fuerte olor penetrante y nauseabundo. Su fórmula química es NH₃, compuesto por 1 átomo de nitrógeno unido a 3 átomos de hidrógeno. Es un gas más ligero que el aire, con una densidad de 0.589 veces la del aire de la atmósfera. Se produce naturalmente por descomposición de la materia orgánica, por bacterias en el suelo, por plantas y animales en descomposición y por desechos animales. También se fabrica industrialmente en grandes cantidades. Es fácilmente soluble en agua y se evapora rápidamente.
En 2018, la producción mundial de amoníaco fue de 175 millones de toneladas, siendo China el mayor productor con el 31.9% de la capacidad global, seguida de Rusia (8.7%), India (7.5%) y Estados Unidos (7.1%). El amoníaco es uno de los productos químicos inorgánicos más producidos, y la mayor parte (más del 80%) del amoníaco producido en plantas químicas se usa para fabricar abonos y para su aplicación directa como abono. Es un irritante y su irritación aumenta con la concentración; el límite permitido de exposición es de 25 ppm, y es letal por encima de 500 ppm.
La Importancia del Nitrógeno en la Agricultura
Las plantas absorben nitrógeno principalmente como nitrato (NO₃⁻) y también algunas especies como amonio (NH₄⁺). Ambas son, por tanto, las dos formas asimilables de nitrógeno por las plantas. Con las cosechas sucesivas, los suelos se van empobreciendo en nitrógeno, por lo que es necesario suplementar el suelo con nitrógeno extra, normalmente en forma de fertilizante inorgánico (urea, nitrato o amonio) o como fertilizante orgánico, por ejemplo, abono verde o purines que en el suelo deben ser mineralizados hasta formas inorgánicas de nitrógeno.
El Proceso Haber-Bosch: Fundamento y Desafíos
Hasta ahora, el proceso Haber-Bosch ha sido el método elegido para extraer nitrógeno de la atmósfera, aparentemente inagotable, y ligarlo en forma de amoníaco. A principios del siglo XX, Fritz Haber y Carl Bosch desarrollaron este proceso que extrae nitrógeno del aire. Utilizando un catalizador a base de hierro, una presión muy alta y temperaturas de hasta 500 grados Celsius, el proceso Haber-Bosch une el nitrógeno del aire al hidrógeno, produciendo amoníaco. La patente fue enviada en 1909 por Fritz Haber y Robert LeRossignol y concedida en 1916. Luego Carl Bosch desarrolló la producción industrial. Su primer uso a escala industrial fue en Alemania durante la Primera Guerra Mundial, donde el amoníaco fue usado para producir explosivos para sostener refuerzos de guerra.
El Premio Nobel de Química de 1918 fue concedido a Fritz Haber "por la síntesis del amoníaco a partir de sus elementos". Este proceso se ha convertido en la principal fuente de nitrógeno fijado en el mundo, mejorando el rendimiento de los cultivos y mitigando el hambre a millones de personas. Sin embargo, "el proceso Haber-Bosch consume mucha energía", explica el profesor Nikolay Kornienko, del Instituto de Química Inorgánica de la Universidad de Bonn. La producción de amoníaco se basa sobre todo en combustibles fósiles, por lo que las emisiones de gases de efecto invernadero son elevadas, ya que este método requiere una cantidad extremadamente grande de gas metano y energía.
El Hombre Que Mató y Salvó a Millones
Hacia una Producción de Amoníaco Más Sostenible: El Amoníaco Verde
Ante los desafíos ambientales del proceso Haber-Bosch, se busca activamente sustituir la síntesis de amoníaco por un proceso que utilice energía renovable procedente de fuentes como el sol y el viento. El profesor Nikolay Kornienko ha descubierto una alternativa más respetuosa con el clima para producir amoníaco a partir de fuentes de energía renovables. La clave del amoníaco verde reside en su proceso de producción: se obtiene mediante la electrólisis del agua, un método que separa el hidrógeno y el oxígeno utilizando energía renovable, emitiendo solo vapor de agua en su proceso. Este hidrógeno verde es una fuente de energía limpia que permite la producción ecológica de amoníaco, eliminando el uso de combustibles fósiles.
Innovaciones en la Síntesis Electroquímica de Amoníaco
Hace tiempo que se experimenta con métodos alternativos. El hidrógeno necesario ya no procedería del gas metano, sino que se obtendría directamente de la división eléctrica del agua (H₂O) en hidrógeno (H₂) y oxígeno (O₂). La reacción de reducción de nitrógeno mediada por litio (LiNRR) se considera la forma más sólida de electrificar la síntesis de amoníaco. En este sistema, los iones de litio (Li⁺) se reducen electroquímicamente a una capa de metal de litio, que luego reacciona con gas nitrógeno (N₂) para formar un compuesto de litio-nitrógeno. Con una fuente de hidrógeno, este compuesto se convierte en amoníaco (NH₃) e iones de litio disueltos, reiniciando el proceso.
Sin embargo, este sistema aún enfrenta dificultades prácticas, como la alta tensión necesaria para reducir los iones de litio a litio metálico, lo que limita la eficiencia energética a alrededor del 25 por ciento. Además, el sistema debe funcionar en un entorno sin aire ni agua, ya que el litio metálico es muy reactivo. Otro reto es que, al igual que en las baterías, sobre la capa de litio crece una interfase porosa de electrolito sólido (SEI).
Un avance significativo ha sido la forma de extraer hidrógeno directamente de la división del agua y transferirlo al nitrógeno. Los investigadores utilizaron una lámina de paladio (Pd) como electrodo y como membrana, ya que "el paladio puede servir de membrana porque permite el paso de átomos de hidrógeno", explica Kornienko. En el experimento, la lámina de Pd separó un entorno de reacción anhidro, donde tienen lugar las reacciones del LiNRR, de un entorno de reacción acuoso. Para verificar su funcionamiento, utilizaron un isótopo pesado del hidrógeno (deuterio = D) como fuente de agua y produjeron ND₃ en lugar de NH₃.
A pesar de estos avances, "todavía estamos en las primeras fases", afirma el químico. Para que el fertilizante nitrogenado deseado pueda producirse de forma económica a partir de fuentes de energía renovables, los científicos tendrían que alcanzar un rendimiento 1.000 veces superior al de sus experimentos actuales. Es crucial investigar las velocidades de reacción y la selectividad del sistema, es decir, el control de los electrones hacia el objetivo deseado.
Tipos de Fertilizantes Nitrogenados Derivados del Amoníaco
Entre todas las fuentes nitrogenadas, hay tres que destacan por su uso en la agricultura moderna:
Nitrato Amónico (Nitrato de Amonio)
Se produce industrialmente al reaccionar amoníaco (NH₃) con ácido nítrico (HNO₃). El resultado es un granulado blanco, estable, con un contenido de nitrógeno del 33-34%. La reacción es peligrosa por su elevado riesgo de explosión, demandando controles rigurosos para garantizar la seguridad. El nitrato amónico es el principal componente en la formulación de la mayor parte de los explosivos industriales, por lo que su uso está estrictamente regulado.
Urea
Es un compuesto orgánico con la fórmula CO(NH₂)₂ ampliamente utilizado como fertilizante por su alto contenido de nitrógeno (46%).
Solución Líquida N32
Este fertilizante líquido se posiciona como una alternativa completa, superando a la urea en eficiencia y al nitrato amónico en versatilidad, ofreciendo eficiencia, precisión y menor impacto ambiental.
Estrategias de Fertilización y su Impacto Ambiental
La agricultura del futuro en sistemas altamente productivos debe avanzar hacia la neutralidad nitrogenada, un concepto que refuerza la necesidad de reducir las pérdidas al medio de nitrógeno reactivo (nitrato, amoniaco, óxidos de nitrógeno) procedente de los cultivos agrícolas. Una estrategia clave para acercarse a este objetivo es mantener el nitrógeno estable en el suelo durante más tiempo mediante el uso de fertilizantes de base amoniacal estabilizados junto con inhibidores de la nitrificación.
Al contrario que el nitrato (NO₃⁻), que al ser un ion con carga negativa se puede perder por lixiviación, el amonio (NH₄⁺), al estar cargado positivamente, se mantiene en el suelo adsorbido a las arcillas que están cargadas negativamente. Daniel Marino, investigador del grupo NUMAPS (Nutrition Management in Plant and Soil) de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), destaca las ventajas de la fertilización amoniacal combinada con inhibidores de la nitrificación:
- Reducción de pérdidas de Nitrógeno: Mantiene el nitrógeno en el suelo durante más tiempo, lo que reduce las pérdidas de nitrato por lixiviación, causantes de la contaminación de aguas subterráneas y la eutrofización.
- Disminución de emisiones de gases de efecto invernadero: Se reducen las emisiones de gases nitrogenados como el óxido nitroso (N₂O), un gas con un potencial de efecto invernadero casi trescientas veces superior al CO₂, cuya emisión se estima en torno al 1% del nitrógeno total aplicado.
- Mejora en la calidad de los cultivos: Se ha observado una reducción en el contenido de nitrato en hoja, un factor fundamental en plantas hortícolas de consumo foliar como la espinaca o la lechuga.
El amonio tiene una particularidad: puede ser tóxico para las plantas y generar un crecimiento menor que el nitrato. Los investigadores se dedican a estudiar la tolerancia y sensibilidad de diferentes plantas a esta fuente de nitrógeno. Aunque se cree que se utilizan menos fertilizantes de base amoniacal, su aplicación sin inhibidores de la nitrificación hace que el amonio se convierta muy rápidamente a nitrato en el suelo, lo que la hace similar a la nutrición nítrica. Por ello, la combinación con inhibidores es crucial.
Impacto en la Calidad Nutricional: Los Glucosinolatos
La comparativa del conjunto de proteínas generadas por una planta modelo (Arabidopsis thaliana) crecida con fuentes de nitrógeno de base amoniacal ha puesto de manifiesto una mayor cantidad de glucosinolatos. Se trata de una familia de compuestos muy diversa, con más de 140 tipos diferentes, casi exclusivos de la familia de las crucíferas (col, brócoli, rúcula, colza, rábano, etc.).
La función principal de los glucosinolatos en la planta es la de actuar como insecticidas naturales. Cuando un insecto herbívoro come las hojas, los glucosinolatos se degradan, y sus productos de degradación (nitrilos, isotiocianatos, etc.) son tóxicos para los insectos. Además de su función para las plantas, diversos estudios han observado que el consumo de vegetales ricos en glucosinolatos representa un beneficio nutricional, ya que, en general, tienen propiedades insecticidas naturales, y uno de ellos, la glucorafanina, posee propiedades anticancerígenas.
Vistos estos resultados en Arabidopsis thaliana, el grupo de investigación de la UPV/EHU planea repetir los experimentos en plantas de brócoli para ahondar en su posible aplicación comercial, incluyendo experimentos en campo. En estos estudios, analizarán también el contenido de glucosinolatos en la inflorescencia del brócoli, la parte más consumida de la planta.
Amoníaco en Otros Contextos de Sostenibilidad
El amoníaco verde se postula como un protagonista esencial en el camino hacia una agricultura más sostenible, pero su potencial va más allá. El amoníaco es un compuesto versátil con múltiples aplicaciones en el ámbito social y económico:
- Combustible Alternativo: El sector del transporte marítimo representa el 3% de las emisiones globales de efecto invernadero. Según informes de DNV GL, los objetivos de reducción de emisiones de la OMI pueden alcanzarse utilizando amoníaco como combustible alternativo. El amoníaco es el mayor portador de hidrógeno y tiene una alta densidad energética, lo que le permite proporcionar energía a los buques. Se ha propuesto como una alternativa práctica al combustible fósil para motores de combustión interna.
- Descontaminación Ambiental: Se utiliza para depurar SO₂ de combustibles calientes, convirtiendo el producto resultante en sulfato de amonio para usarse como fertilizante. También neutraliza la contaminación de los óxidos de nitrógeno (NOx) emitidos por los motores diésel.
- Refrigerante Industrial: Gracias a sus propiedades de vaporización, es un refrigerante eficiente. El amoníaco anhídrido se usa en la industria de la refrigeración y para las pistas de hockey por su alta eficiencia de conversión de energía y bajo costo. No obstante, su toxicidad restringe su uso doméstico.
- Usos Domésticos e Industriales Diversos: Es un elemento importante para la síntesis de muchos fármacos y se usa en la elaboración de cosméticos y tinturas de cabello, fabricación de desinfectantes y limpiadores de cocina. El amoníaco casero o hidróxido de amonio es una solución de NH₃ en agua usada para limpiar superficies, como cristales, porcelana y acero inoxidable, y para limpiar hornos.
Aunque el amoníaco fue utilizado militarmente durante la Primera Guerra Mundial para la producción de explosivos, su evolución y las innovaciones en su producción hacia métodos más ecológicos lo consolidan como un pilar fundamental en la transición hacia la neutralidad nitrogenada en la agricultura y la sostenibilidad energética en diversos sectores. España, en este contexto, se posiciona como un referente en la producción y aplicación de amoníaco verde.