Aquest procés ambiental es veu afectat per la contaminació de l'aire, es tracta del desplaçament de l'hidrogen al voltant de la Terra. Aquest element químic és el més abundant de l'univers i de tota la Terra, comprenent un 84% de la mateixa, i forma part essencial de la composició de aigua, biomolècules i atmosfera.
Al nostre planeta, el podem trobar a l'aigua i aire que respirem, però també als éssers vius, terres, roques i combustibles. En virtut d'aquest fet, cal posar èmfasi en la preservació dels components naturals que el modifiquen i el mantenen en equilibri. Investigar sobre el cicle de l'hidrogen pot ser de gran ajuda per començar amb la conscienciació de la societat global sobre la importància daquest element i la seva relació amb altres cicles biogeoquímics.
Què és el cicle de l'hidrogen?
El cicle de l'hidrogen és un cicle biogeoquímic mitjançant el qual l'hidrogen es desplaça i es transforma a través dels principals reservoris del planeta: hidrosfera, atmosfera, biosfera i geosfera. Aquest desplaçament es produeix principalment per mitjà de l'aigua, encara que també intervé en processos com ara fotosíntesi, la respiració, la descomposició de la matèria orgànica i reaccions químiques a sòls i oceans.
La hidrosfera obté hidrogen sobretot del aigua (H2O), un compost format per la combinació d'oxigen i hidrogen. Durant processos com la fotosíntesi, es produeix la dissociació de l'aigua i part d'aquest hidrogen acaba formant glucosa i altres carbohidrats quan es combina amb el diòxid de carboni (CO2). Així, l'hidrogen passa de l'aigua a les plantes i d'aquestes als animals i als éssers humans a través de la cadena alimentària.
Les plantes proporcionen aliment per als herbívors i aquests animals obtenen glucosa, proteïnes i altres nutrients de les plantes. L'hidrogen forma part essencial dels carbohidrats, que són una font important denergia per als éssers vius, i aquests carbohidrats arriben al nostre organisme a través dels aliments. Quan els éssers vius respiren, creixen, es reprodueixen o moren, l'hidrogen està implicat en totes aquestes transformacions.
A la Terra hi ha innombrables tipus d'éssers vius. Tots estan compostos bàsicament de carboni, nitrogen, oxigen i hidrogen. Els animals obtenen aquests elements de la naturalesa i els processos de formació, creixement i descomposició ocorren contínuament, alliberant i reincorporant hidrogen als diferents reservoris del planeta.
Diversos cicles succeeixen com a resultat de cadascun d'aquests processos (cicle del carboni, del nitrogen, del sofre, de l'aigua, entre d'altres), ia causa d'ells, tots són lligats entre si, establint un equilibri dinàmic. L'hidrogen és un component clau de molts d'aquests cicles, de manera que alterar-ne la disponibilitat o la distribució pot afectar a gran escala el clima, la fertilitat dels sòls i la vida d'ecosistemes complets.
Fases del cicle de l'hidrogen
Els àtoms d'hidrogen poden estar representats com líquids o en gas. La naturalesa emmagatzema l'hidrogen de forma líquida quan forma part de l'aigua o altres compostos, ja que en estat gasós ocupa molt més espai. A nivell fisicoquímic, l'hidrogen també es pot emmagatzemar com gas a alta pressió o com a hidrogen líquid per a fins industrials i energètics, ja que ocupa menys volum que en la forma normal de gas.
Quan un àtom d'hidrogen s'uneix a un àtom fortament electronegatiu (com l'oxigen, el nitrogen o el fluor) que és proper a un altre àtom electronegatiu amb un parell solitari d'electrons, es forma un enllaç d'hidrogen. Aquests enllaços són responsables de moltes propietats de l'aigua i de l'estructura de proteïnes, ADN i altres biomolècules. A més, dos àtoms d'hidrogen poden formar una molècula d'hidrogen gasós (H2), que es fa servir àmpliament a nivell industrial i energètic.
El cicle de laigua i el cicle de lhidrogen van de la mà per al floriment i alimentació de les plantes a través de la fotosíntesi. L'hidrogen és part de la molècula de l'aigua, de manera que cada cop que l'aigua canvia d'estat o es desplaça a la natura, també s'està produint una redistribució de l'hidrogen. Per això, l'hidrogen és fonamental en processos com el cicle hidrològic, el cicle del carboni, el cicle del nitrogen i el cicle del sofre.
D'altra banda, l' descomposició orgànica que es produeix als sòls conté alts nivells d'hidrogen. A mesura que plantes i animals moren, les seves restes s'integren al sòl com a matèria orgànica; durant la descomposició, diverses reaccions químiques alliberen novament molècules que contenen hidrogen cap a l'atmosfera, els sòls o les aigües subterrànies mitjançant processos de oxidació i mineralització.
La hidrosfera inclou la atmosfera, la superfície terrestre, les aigües superficials i les aigües subterrànies. A mesura que l'aigua es mou a través del cicle, canvia d'estat entre les fases líquida, sòlida i gasosa, arrossegant-hi l'hidrogen que conté. Aquest moviment es dóna entre diferents reservoris, incloent oceans, rius, llacs, glaceres, aqüífers, núvols i sòls, per mitjà de processos físics com evaporació, transpiració, sublimació, precipitació, infiltració, escolament i flux subterrani.
evaporació
El cicle hidrològic i el cicle de l'hidrogen estan profundament relacionats, ja que el cicle hidrològic és lescenari on lhidrogen compleix bona part de les seves funcions ecològiques. La evaporació de la superfície de l'aigua (oceans, rius, llacs, embassaments, sòls humits) és el començament de tot. Quan l'aigua s'evapora per efecte de l'energia solar, passa de l'estat líquid al gasós (vapor d'aigua) i s'eleva a l'atmosfera, transportant a la molècula els àtoms d'hidrogen.
En aquesta etapa també és important la evapotranspiració, que combina l'evaporació directa des del terra i la transpiració de les plantes. Una part significativa de l'aigua que passa a l'atmosfera procedeix dels ecosistemes terrestres, fet que converteix els boscos i les àrees amb vegetació abundant en actors clau del cicle de l'hidrogen.
condensació
L'atmosfera condensa l'aigua que s'evapora a través del cicle hidrològic i canvia dels estats gasosos a líquids. En pujar, el vapor d'aigua es refreda i es transforma en petites gotes líquides o vidres de gel, formant núvols i boira. Durant aquest procés, els àtoms d'hidrogen presents a les molècules d'aigua s'agrupen en noves estructures i tornen a estar disponibles per caure sobre la superfície.
L'oceà, les glaceres, les aigües subterrànies, la precipitació, la sublimació, la filtració i el flux superficial participen en fases prèvies i posteriors a la condensació, portant aigües que seran novament condensades per l'atmosfera. Així, la condensació és el pas que prepara a l'aigua per tornar a la Terra en forma de pluja, neu o calamarsa, permetent la redistribució de l'hidrogen entre els diferents ecosistemes.
transpiració
Un exemple clar daquest procés succeeix quan les plantes absorbeixen l'aigua a través de les seves arrels per bombar-la a la resta del cos i subministrar els nutrients i la hidrogenació necessaris. Després d'això, l'aigua és eliminada de les plantes a través dels porus (estomes) en forma de vapor, que passa a l'atmosfera. D'aquesta manera, l'hidrogen contingut a l'aigua circula des del terra fins a l'aire, passant pels teixits vegetals.
La transpiració representa aproximadament el 10% de l'aigua que s'evapora al món. És la descàrrega de vapor d'aigua de les fulles de les plantes a l'atmosfera, un procés que no pot veure l'ull, tot i que les quantitats d'humitat implicades són molt significatives. Per exemple, s'estima que un sol roure gran pot arribar a transpirar més de centenars de milers de litres d'aigua a l'any, contribuint així de manera notable al cicle local de l'aigua i de l'hidrogen.
La quantitat d‟aigua que es transpira a través d‟aquest procés depèn de factors com la espècie de planta, la humitat del sòl, la temperatura ambiental i el vent al voltant de la vegetació. Zones amb gran cobertura vegetal presenten una humitat relativa més alta per aquest motiu, cosa que influeix en el clima regional i en l'equilibri de l'hidrogen disponible.
precipitació
La precipitació es produeix pel refredament de les gotes d'aigua que conté l'atmosfera, que es precipiten a causa del pes i la mida que arriben. Pot manifestar-se en forma de pluja, neu, calamarsa o plugim, tornant l'aigua a la superfície terrestre i amb ella els àtoms de hidrógeno. Quan l'aigua arriba a terra, dóna pas a la infiltració ia l'escolament, processos pels quals l'aigua s'incorpora al subsòl o flueix per la superfície cap a rius i mars.
Aquest procés es repeteix de manera contínua com a part dels cicles terrestres que mantenen els recursos renovables d'aigua dolça, dels quals depèn la vida. Cada esdeveniment de precipitació redistribueix l'hidrogen a l'entorn, reposa aqüífers, alimenta cossos d'aigua superficials i proporciona líquid essencial per al creixement de les plantes i el consum humà.
solidificació
La solidificació passa quan l'evaporació de l'aigua o les gotes d'aigua contingudes dins de l'atmosfera se solidifiquen pel canvi de temperatura i produeixen calamarsa o neu. En aquesta fase, l'aigua passa de l'estat líquid al sòlid, però continua contenint la mateixa proporció d'àtoms d'hidrogen. Més tard té lloc la fusió, que és quan el gel i la neu es fonen i tornen a l'estat líquid, permetent que l'aigua reprengui el seu camí cap a rius, llacs i oceans.
A regions fredes o d'alta muntanya, una gran quantitat d'hidrogen roman emmagatzemada durant anys o segles en forma de gel a glaceres i casquets polars. Aquests grans reservoris actuen com a dipòsits d'aigua dolça i d'hidrogen, alliberant-lo gradualment mitjançant el desglaç estacional i contribuint així a l'equilibri del cicle global.
infiltració
La infiltració és quan l'aigua torna als sòls i s'escapoleix dins d'aquests per tornar a pertànyer a les plantes i les seves arrels. A mesura que l'aigua es filtra, nodreix horitzons més profunds del terra i pot arribar a aqüífers i reserves subterrànies. En aquestes masses d‟aigua subterrània, l‟hidrogen roman integrat a la molècula d‟aigua, disponible per a la seva extracció mitjançant pous o per ser aprofitat per la vegetació a través de les arrels profundes.
Aquest procés també és clau per a la purificació natural de l'aigua, ja que, en passar pels diferents estrats del terra, moltes impureses queden retingudes. Així, l'aigua que conté hidrogen arriba més neta als aqüífers, on es converteix en una reserva fonamental per al consum humà, agrícola i industrial.
vessament
La escorrentia és el terme que es fa servir per fer referència a l'acte d'esbarjo de l'aigua per terra. Es tracta del flux d'aigua que circula sobre la superfície terrestre quan el terra està saturat o la pluja és molt intensa. Aquest moviment arrossega sediments, nutrients i, per descomptat, les molècules daigua que contenen hidrogen, portant-les cap a rius, llacs, aiguamolls i, finalment, oceans.
L'escorriment contribueix a connectar les aigües continentals amb els mars i forma part del circuit mitjançant el qual l'hidrogen torna a grans reservoris aquàtics. A més, influeix en la erosió del relleu, la fertilitat de les planes d'inundació i la dinàmica de nutrients en ecosistemes aquàtics i terrestres.
Circulació subterrània
La circulació subterrània succeeix quan l'aigua ha penetrat els terres i arriba novament a rius, llacs i mars. L'aigua que s'ha infiltrat es pot moure lentament a través del subsòl i ressorgir a fonts, fonts naturals o surgències a la llera dels rius. Tot aquest recorregut manté en moviment l'hidrogen, que s'intercanvia entre capes profundes, sòls, vegetació i masses d'aigua superficials.
Aquest procés subterrani és menys visible que l'escorriment superficial, però resulta fonamental per a la regulació hídrica a llarg termini. Gràcies a la circulació subterrània, es garanteix un subministrament més estable d'aigua als ecosistemes fins i tot en èpoques seques, cosa que significa que l'hidrogen continua disponible per sostenir la vida i les activitats humanes.
Importància de l'hidrogen a la Terra
L'hidrogen és vital per a la supervivència de l'ésser humà i de la resta d'éssers vius per diferents factors. Per exemple, les plantes proporcionen als altres éssers vius tots els nutrients necessaris per al desenvolupament. L'animal herbívor rep l'hidrogen de la planta en forma de carbohidrats, que alhora es converteixen en la font d'energia principal de l'organisme. Més tard, quan un carnívor s'alimenta d'un herbívor, aquest hidrogen es continua transmetent a través de la cadena alimentària.
també els processos de la vida en general estan relacionats a l'hidrogen, ja que la majoria dels éssers vius estem compostos per àtoms de nitrogen, hidrogen i oxigen, a més de carboni. L'hidrogen forma part de molècules tan importants com el aigua, els àcids nucleics, les proteïnes, els lípids i els sucres, per la qual cosa participa en l'estructura i la funció de totes les cèl·lules.
A nivell físic i tecnològic, l'hidrogen té una gran varietat de usos pràctics. Com que és l'element més lleuger, pot servir com agent d'elevació en globus i dirigibles, encara que la seva alta inflamabilitat requereix extrema precaució. Aquesta mateixa propietat, unida a la seva capacitat d'alliberar gran quantitat d'energia en reaccionar amb l'oxigen, el converteix en un combustible molt interessant per a diferents aplicacions.
L'hidrogen s'utilitza principalment per crear aigua quan es combina amb oxigen, i el gas d'hidrogen pot emprar-se a la reducció de minerals metàl·lics en processos industrials. Les indústries químiques també ho usen per a la producció d'àcid clorhídric i per a la síntesi de nombrosos compostos, entre ells el amoníac (NH3), base de molts fertilitzants i productes de neteja domèstica.
A més, l'hidrogen és necessari per a la soldadura atòmica d'hidrogen (AHW) i s'empra com combustible en coets, on sol combinar-se en forma d'hidrogen líquid amb oxigen líquid per formar una barreja altament energètica. És considerat un dels combustibles més nets, ja que, en cremar, el producte principal és aigua, sense generar diòxid de carboni ni altres gasos d'efecte hivernacle al punt d'ús.
Els generadors elèctrics utilitzen el gas d'hidrogen com refrigerant, el que ha portat moltes plantes a emprar-lo com a agent per a la verificació de fuites. També té aplicacions al processament d'aliments, per exemple a la hidrogenació de greixos, on s'afegeixen àtoms d'hidrogen per modificar olis no saturats i transformar-los en greixos amb altres propietats físiques.
Hidrogen renovable i les seves etapes de producció
En els darrers anys s'ha posat un gran èmfasi en el desenvolupament del hidrogen renovable o hidrogen verd, un tipus d'hidrogen produït sense emissions directes de diòxid de carboni (CO2). En lloc d'utilitzar combustibles fòssils, aquest hidrogen es genera a partir de energies renovables com l'eòlica, solar o hidràulica, cosa que el converteix en una eina clau per a la descarbonització de l'economia.
Les unitats de producció d'hidrogen renovable operen a diverses etapes fonamentals que permeten obtenir un gas d'alta puresa apte per a emmagatzematge, transport i ús a diferents sectors industrials i de transport.
- Electròlisi de l'aigua: l'hidrogen es produeix a partir de aigua procedent de rius, oceans, pluja o fins i tot lixiviats, un cop tractada i condicionada. L'electròlisi és un procés que trenca els enllaços químics de les molècules d'aigua (H2O) mitjançant corrent elèctric aplicat entre dos elèctrodes. Perquè el procés sigui renovable, s'utilitza energia elèctrica d'origen renovable. Durant l'electròlisi s'allibera oxigen (O2) a l'aire com a subproducte, i no hi ha emissió de CO2 associada al procés de separació de la molècula d'aigua.
- Compressió de l'hidrogen (H2): una vegada produït, l'hidrogen es troba normalment a baixa pressió. Per facilitar-ne la emmagatzematge i transport, se sotmet a un procés de compressió que redueix el volum del gas i augmenta la seva pressió. Això permet carregar més quantitat d'hidrogen a cilindres, tancs o contenidors destinats al seu ús industrial o com a combustible.
- Purificació de l'hidrogen: en aquesta etapa s'eliminen els restes d'oxigen, vapor d'aigua o altres impureses que poguessin haver quedat després de l'electròlisi i la compressió. El resultat és un hidrogen d'alta puresa, necessari per a aplicacions sensibles com ara cel·les de combustible, processos químics fins o certs usos industrials on la presència de contaminants podria provocar corrosió, disminuir el rendiment o generar reaccions indesitjades.
Transport i usos de l'hidrogen renovable
Un cop produït, l'hidrogen renovable ha de ser transportat i emmagatzemat de manera segura per poder aprofitar-ho en diferents punts de consum. Hi ha diverses maneres de fer-ho, en funció de la quantitat necessària, la distància i el tipus d'aplicació.
Quan es necessita per a una fàbrica o planta industrial en quantitats elevades i de manera contínua, l'hidrogen es pot transportar directament a través d'una xarxa de canonades. Aquesta connexió per canonada permet proveir la fàbrica per a usos com la producció de vidre, acer, plàstics, alimentació, químics i altres sectors industrials que demanen grans volums daquest gas.
L'hidrogen també pot emmagatzemar-se en contenidors pressuritzats fora de la planta de producció i després transportar-se per camió, vaixell o tren, en funció de la infraestructura disponible. Aquesta modalitat s'empra sobretot per a distàncies mitjanes o curtes i per abastir estacions de servei d'hidrogen, petites indústries o flotes de vehicles.
Entre els usos més destacats de l'hidrogen renovable hi ha:
- Transport: l'hidrogen pot alimentar vehicles de pila de combustible (cotxes, autobusos, camions, trens o fins i tot vaixells). Aquests vehicles generen electricitat a bord a partir d'hidrogen i oxigen, i només emeten vapor d'aigua en circular, sense CO2. És una alternativa molt interessant per al transport pesant o de llarga distància.
- Indústria: l'hidrogen renovable es pot utilitzar com a matèria primera o combustible net per a diferents fàbriques, ja sigui en grans quantitats mitjançant canonades o en volums més petits mitjançant contenidors. El seu ús permet reduir la petjada de carboni de processos que tradicionalment feien servir gas natural o carbó per a l'obtenció de calor o d'hidrogen d'origen fòssil.
La producció d'hidrogen amb energies renovables dóna lloc a un combustible net des del seu origen fins al seu ús final. D'aquesta manera, es converteix en una eina molt eficaç per descarbonitzar empreses, ciutats i sistemes de transport, sempre que s'acompanyi d'una bona planificació energètica i infraestructures adequades.
Com arriba l'hidrogen al nostre cos?
L'hidrogen està representat a la majoria d'aliments i begudes que consumim diàriament. El cos humà està compost per un 70% d'aigua, i cada molècula d'aigua conté dos àtoms d'hidrogen. A més, les proteïnes, greixos i carbohidrats de la nostra dieta també contenen hidrogen a la seva estructura química.
El consum adequat d'aigua i aliments rics en compostos orgànics permet que l'hidrogen participi a la regulació del pH de l'organisme, en les reaccions metabòliques que produeixen energia (com la respiració cel·lular) i en la síntesi de noves molècules essencials per a la vida. Sense aquesta aportació contínua d'hidrogen, el nostre metabolisme no podria funcionar correctament.
Per mantenir una dieta rica en hidrogen, en el sentit d'afavorir el consum d'aliments amb alt contingut d'aigua i compostos saludables, és recomanable consumir fruites i verdures fresques, així com una quantitat suficient daigua pura. Entre els aliments especialment hidratants es troben els cítrics com a mandarines, taronges i llimones, així com maduixes, meló, síndria i altres fruites. Per descomptat, el aigua que prenem diàriament és la principal font directa d'hidrogen pel nostre cos.
Quins són els perills i les prevencions associats a l'hidrogen?
Tot i ser fonamental per a l'existència de l'ésser humà, el hidrogen gasós és molt inflamable i pot resultar perillós en determinades condicions. La seva baix pes molecular fa que s'elevi ràpidament a l'atmosfera, però si queda confinat en espais tancats i es barreja amb oxigen en certes proporcions, pot donar lloc a explosions i flames difícils de veure, cosa que incrementa el risc.
Per a una persona que en pateix alguna insuficiència respiratòria o problemes pulmonars severs, pot arribar a ser perjudicial inhalar grans quantitats dhidrogen en un lloc mal ventilat, ja que aquest gas desplaça al oxigen de l'aire i redueix la quantitat disponible per a la respiració. Això desencadena un estat de hipòxia o intoxicació a tot el cos. No és l'hidrogen en si el que resulta tòxic, sinó la manca d'oxigen que provoca en desplaçar-lo.
Per tant, en entorns industrials és recomanable que se'n tingui una mesurament exacte de les concentracions d'hidrogen a l'ambient per evitar aquests riscos, així com una correcta ventilació i lús de sensors de fuites. També és fonamental comptar amb sistemes de seguretat que tallin el subministrament en cas de detectar barreges explosives o fuites significatives.
D'altra banda, cal romandre allunyats de les zones industrials que implementin grans quantitats d'hidrogen a la fabricació de certs productes quan no es compta amb formació o equips de protecció adequats, ja que pot arribar a causar explosions o incendis si no s'apliquen totes les mesures de seguretat requerides. Com altres gasos combustibles, s'ha de manejar amb responsabilitat i seguint protocols estrictes.
Tot i que l'hidrogen és un dels combustibles més nets disponibles, el seu ús massiu requereix inversions en infraestructures segures, sistemes demmagatzematge fiables i normes de seguretat adequades. D'aquesta manera, es minimitzen els riscos i se n'aprofiten al màxim els avantatges ambientals davant dels combustibles fòssils tradicionals.
Educació ambiental i preservació dels cicles naturals
Per assegurar la protecció del medi ambient, cal intervenir en el sistema educatiu dels països amb menys índex de desenvolupament i també reforçar l'educació ambiental a tots els nivells. Implementar estratègies de convivència de l'individu amb els processos naturals farà que aquest es torni molt més conscient del seu entorn i de la importància que en té la preservació.
Així, l'ésser humà pot ser capaç de mantenir en bones condicions el medi ambient on les futures generacions creixeran. Conéixer com funciona el cicle de l'hidrogen i la seua relació amb altres cicles biogeoquímics ajuda a entendre per quins fenòmens com la contaminació, la desforestació o el canvi climàtic poden alterar greument lequilibri de la naturalesa.
Però què he de fer jo perquè els cicles naturals com el de l'hidrogen es compleixin a la perfecció? Pots començar per investigar a profunditat quins són els hàbits sostenibles que has d'implementar a la quotidianitat (estalvi d'aigua, reducció de residus, ús responsable de l'energia, consum conscient) i quines són les estratègies de comunicació que s'adapten més a les teves capacitats perquè puguis portar el missatge de consciència a tercers.
Si ets pare o mare, pots començar per brindar als teus fills una criança plena amb valors positius que estiguin en convivència amb els processos i cicles naturals. Parlar sobre la importància de cuidar l'aigua, respectar les plantes i els animals i entendre com tot està connectat al planeta afavoreix la formació de persones més responsables amb l'entorn.
Prendre decisions informades, donar suport a tecnologies netes com el hidrogen renovable i exigir polítiques públiques que protegeixin els ecosistemes són passos que, sumats, enforteixen la preservació del cicle de l'hidrogen i de tots els processos que sostenen la vida a la Terra.
Comprendre el paper de l'hidrogen com a element abundant, el seu pas constant entre aigua, aire, sòls i organismes vius i el seu potencial com a font d'energia neta permet valorar molt més la necessitat de tenir cura dels cicles naturals i d'avançar cap a models de desenvolupament que respectin els límits del planeta.