Las 12 innovaciones que necesitamos para salvar a la humanidad y al planeta

Nunca he sido fanático de la ciencia ficción. Sospecho mucho de cualquier afirmación demasiado buena para ser verdad sobre descubrimientos que «hacen época». Pero también he escrito mucho sobre los impactos transformadores de los inventos, desde el amoniaco sintético para la producción de fertilizantes y los dispositivos semiconductores en la electrónica hasta la vacuna 5 en 1 , que inmuniza contra una variedad de enfermedades. Es más, me parece obvio que necesitamos nuevos avances fundamentales como estos para hacer frente a la multitud de desafíos económicos, sociales y medioambientales a los que nos enfrentamos actualmente. Abordo los posibles avances en mi nuevo libro, Invención e innovación: una breve historia de exageraciones y fracasos .

Identificar las principales prioridades para posibles avances no es fácil, sobre todo porque hay mucho margen de mejora. Considere la energía. Bill Gates ha señalado que: “La mitad de la tecnología necesaria para llegar a cero emisiones no existe todavía o es demasiado costosa para que gran parte del mundo pueda costearla”. Se podría decir lo mismo de todas las categorías científicas y técnicas. Además, cualquier lista de las invenciones más deseables está destinada a ser subjetiva. Si ve la mía como bastante conservadora, me declaro culpable: no hay viajes más rápidos que la luz, no hay terraformación de otros planetas.

En cambio, mis 12 innovaciones principales, que expongo aquí, cubren una variedad de problemas que debemos abordar con urgencia. Se enfocan en áreas que tendrán el mayor impacto en el bienestar humano y el medio ambiente y donde ya hay conocimiento sobre el cual construir. Mi lista de deseos incluso incluye tres cambios en los que todos podemos ponernos manos a la obra ahora mismo (ver abajo » Más grande y mejor «).

Un precursor de la vacuna universal

La humanidad enfrenta más riesgos que nunca por enfermedades transmisibles. Pueden surgir en bosques tropicales o en grandes ciudades, luego propagarse rápidamente por todo el mundo a través de viajes globales y transmitirse fácilmente en entornos urbanos superpoblados. La pandemia de coronavirus nos ha hecho dolorosamente conscientes de esto en los últimos tres años. También destacó la importancia de las vacunas y la urgente necesidad de mejores.

La vacunación ha recorrido un largo camino: ha erradicado la viruela y ayudado a controlar muchas otras enfermedades infecciosas, como la poliomielitis, el sarampión y el tétanos. Hoy en día, existen varios tipos de vacunas y sabemos cómo emplearlas contra una variedad de patógenos. Sin embargo, cuando surge una nueva enfermedad, aún debemos desarrollar una vacuna desde cero. Y eso lleva tiempo. Hemos visto la llegada de las vacunas de ARNm, que utilizan el material genético conocido como ARN mensajero para decirle a nuestras células que produzcan una proteína que le enseña a nuestro cuerpo a reconocer a un invasor. La secuenciación genética rápida es vital para la tecnología. El avance del ARNm ha reducido drásticamente el tiempo que lleva inventar nuevas vacunas, de meses o años a días. Pero incluso el lanzamiento de la vacuna Covid-19 récord de Pfizer/BioNTech tomó nueve meses. Eso es mucho tiempo para que un nuevo patógeno agresivo mate a muchos millones de personas.

Idealmente, para reducir este retraso, tendríamos un precursor de vacuna universal listo para usar que podría ser «activado» en el laboratorio por una muestra de un nuevo patógeno viral o bacteriano para crear una vacuna que fuera segura, confiable y podría ser producido sin usar técnicas industriales complejas que son inaccesibles para todas las compañías farmacéuticas excepto para las más grandes. Hasta ahora, lo más cerca que hemos llegado a esto es la investigación sobre vacunas «pan» que cubren todos los virus en una clase particular, como los coronavirus. En noviembre de 2022, los investigadores anunciaron que habían creado una vacuna universal contra la influenza que funciona en los 20 subtipos conocidos de influenza A y B en ratones. Pero, ¿cómo sería un precursor universal y cómo podría ajustarse para crear la vacuna deseada? Por ahora, simplemente no lo sabemos.

Una cura para el alzhéimer

Desde su creación en la década de 1930, la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA) ha aprobado más de 1800 tratamientos para enfermedades humanas. Existen medicamentos que tratan o incluso curan una impresionante variedad de enfermedades potencialmente fatales, incluidos varios tipos de cáncer, infecciones bacterianas y presión arterial alta. Otros están diseñados para aliviar los síntomas de condiciones desagradables pero que no amenazan la vida, desde dermatitis y migrañas hasta el síndrome de piernas inquietas. Desafortunadamente, la demencia, de la cual la enfermedad de Alzheimer es la forma más común, no se encuentra entre las afecciones curables. Y, a medida que las poblaciones envejecen, esto plantea un problema cada vez mayor para la humanidad. El Alzheimer ya afecta a alrededor del 2 por ciento de la población de los EE. UU., y unos 44 millones de personas en todo el mundo. Actualmente, la demencia le cuesta al mundo alrededor del 1 por ciento de su PIB.

Hay algunos medicamentos que proporcionan un alivio temporal de los síntomas de la enfermedad de Alzheimer. Por ejemplo, el donepezilo, la galantamina y la rivastigmina previenen la descomposición de la acetilcolina, un mensajero químico en el cerebro importante para el estado de alerta, la memoria, el pensamiento y el juicio, mientras que la memantina regula la actividad de otro neurotransmisor llamado glutamato. Pero estos medicamentos a menudo tienen efectos secundarios graves. Además, no pueden retrasar o detener la progresión de la enfermedad.

Encontrar una cura para el Alzheimer es un desafío porque es una condición compleja y poco conocida . Las hipótesis sobre qué lo causa van desde la inflamación hasta el mal plegamiento de las proteínas en el cerebro. La FDA solo aprobó el primer fármaco para atacar una supuesta causa subyacente en 2021. Aducanumab disminuye la cantidad de placas de una proteína llamada beta-amiloide en el cerebro, aunque en los ensayos clínicos no pudo demostrar claramente ningún beneficio en el funcionamiento diario de las personas, pensando o memoria. Al año siguiente llegó el anuncio del primer fármaco contra el Alzheimer, el lecanemab, que afirmaba retrasar el deterioro cognitivo. Sin embargo, su eficacia está en disputa y, además, tiene algunos efectos secundarios graves. Bajo cualquier estándar, una cura para el Alzheimer debe estar cerca de la cima de los avances científicos más deseables. Pocas otras intervenciones médicas brindarían tanta ayuda a las personas, apoyo a las familias afectadas y alivio a los sistemas de salud sobrecargados.

Cereales fijadores de nitrógeno

A medida que la población humana supera los 8 mil millones, se utilizan cantidades cada vez mayores de fertilizantes nitrogenados para cultivar plantas que nos alimenten. En 2020, los cultivos recibieron 113 millones de toneladas, un 40 % más que en 2000. Sin embargo, como resultado de la evaporación, la lixiviación, la erosión y su conversión en gas nitrógeno por parte de los microbios del suelo, solo alrededor de la mitad del nitrógeno aplicado termina en cultivos, a veces tan solo el 20 por ciento. Esta pérdida es muy desagradable en este momento con los precios de los fertilizantes tan altos. Peor aún, causa daños ambientales masivos , como la lluvia ácida, la contaminación del agua por nitratos y la formación de «zonas muertas» sin oxígeno en las regiones costeras poco profundas.

A diferencia de los cultivos de cereales básicos, las plantas leguminosas como los guisantes y los frijoles requieren poca o ninguna fertilización con nitrógeno. Obtienen su nitrógeno directamente de bacterias simbióticas asociadas con sus raíces. La idea de conferir capacidades similares de fijación de nitrógeno a cereales, hortalizas y otros cultivos ha existido durante un siglo. Incluso fue defendido por Norman Borlaug, quien ganó el premio Nobel de la paz en 1970 por desarrollar variedades de cultivos de alto rendimiento que requerían fuertes aplicaciones de nitrógeno. En su discurso de aceptación, Borlaug expresó la esperanza de que, para la década de 1990, la humanidad tenga “campos de trigo, arroz, maíz, sorgos y mijos verdes, vigorosos y de alto rendimiento, que están obteniendo, sin costo alguno, 100 kilogramos de nitrógeno por hectárea de bacterias formadoras de nódulos y fijadoras de nitrógeno”.

Desde entonces, ha habido algún progreso en la identificación de genes fijadores de nitrógeno y su transferencia experimental a plantas no leguminosas. Pero los cereales fijadores de nitrógeno siguen siendo un sueño y nadie sabe cuánto tardará en convertirse en realidad.

Fotosíntesis más eficiente

La evolución ha dejado a las plantas con una forma inherentemente ineficiente de convertir energía en biomasa. Solo alrededor de la mitad de la radiación solar que llega a una planta se puede utilizar en la fotosíntesis y eso cae al 44 por ciento después de restar la luz verde reflejada, dejando la parte azul y roja del espectro. Se producen más pérdidas en el proceso de convertir esta luz en energía química, de modo que solo el 4,5 por ciento de la energía solar se convierte en carbohidratos. Y eso es un máximo teórico. Los suministros limitados de agua y nutrientes significan que la fotosíntesis normalmente convierte menos del 1 por ciento de la radiación solar incidente en biomasa. Incluso una mejora relativamente pequeña marcaría una gran diferencia en los rendimientos de los cultivos , que actualmente se están estancando o solo aumentan lentamente.

La investigación en la última década sugiere tres caminos hacia este objetivo. Una es mejorar la eficiencia de la rubisco , la enzima que acelera el proceso de síntesis de nueva biomasa. Otra es encontrar genes que hagan que las raíces sean más eficientes en la recolección de agua y nutrientes y usar ingeniería sintética para incorporarlos a las plantas. El tercero se basaría en el descubrimiento de plantas de arroz con mayores rendimientos , un crecimiento más rápido y un uso más eficiente del nitrógeno. Necesitamos más avances como estos para aumentar sustancialmente los rendimientos de los cultivos si queremos alimentar adecuadamente a una población humana que bien puede crecer a 10 mil millones para 2050 .

Mejores baterías

Si vamos a reemplazar una gran parte de los combustibles fósiles con electricidad, debemos encontrar mejores formas de almacenarla. Actualmente, la energía potencial en proyectos hidroeléctricos de bombeo representa más del 90 por ciento del almacenamiento de electricidad en todo el mundo. Sin embargo, cuando se trata de electrificar el transporte, lo que necesitamos son baterías que entreguen más energía para su tamaño: más vatios-hora por litro (Wh/l).

En 1859, cuando Gaston Planté inventó la pila de plomo-ácido, ésta tenía una densidad energética de unos 60 Wh/l. Hoy en día, cientos de millones de baterías de este tipo se encuentran bajo el capó de los vehículos propulsados ​​por motores de combustión interna y entregan alrededor de 90 Wh/l. Las baterías modernas de níquel-cadmio pueden almacenar 150 Wh/l. Pero las baterías de iones de litio, desarrolladas durante la década de 1980 y utilizadas en la actualidad para alimentar automóviles eléctricos, así como teléfonos celulares, computadoras portátiles y otros dispositivos electrónicos de consumo portátiles, son actualmente la mejor opción. Y tienen aún más potencial. El mejor rendimiento comercial de iones de litio, utilizado en millones de vehículos eléctricos, es el modelo 2170 de Panasonic, con una densidad de energía de 755 Wh/l. Amprius Technologies de California está desarrollando baterías de litio que pueden almacenar 1150 Wh/l, lo que las convierte en un orden de magnitud más densas en energía que el mejor almacenamiento de plomo-ácido.

[Lee también: Una técnica para crear moléculas más amigables con el ambiente, el hallazgo de los Nobel de Química 2021.]

A pesar de estas mejoras, la densidad energética de las baterías sigue siendo muy inferior a la de los combustibles líquidos que dominan todas las formas de transporte: tarifas de gasolina a 9600 Wh/l, queroseno de aviación a 10,300 Wh/l y combustible diésel a 10,700 Wh/l. ¿Qué tan rápido podríamos reducir la brecha? Durante los últimos 50 años, la densidad de energía más alta de las baterías producidas en masa se ha multiplicado por cinco. Si podemos igualar esa tasa durante los próximos 50 años, llegaríamos a 3750 Wh/l. Eso haría que la electrificación del transporte pesado por carretera y marítimo fuera mucho más fácil de lo que es hoy, pero aún sería insuficiente para un Boeing 787 eléctrico . Necesitamos súper baterías , y cuanto antes mejor.

‘Pintura’ fotovoltaica autolimpiante

La energía solar es la mejor opción para generar electricidad renovable. Incluso si no considera que las turbinas eólicas sean una monstruosidad, consumen enormes cantidades de materiales: hasta 400 toneladas por megavatio de capacidad instalada, que es más de 60 veces más que las turbinas de gas. También suelen requerir una transmisión de larga distancia para llevar la electricidad desde las regiones ventosas hasta las grandes ciudades. En cambio, las instalaciones fotovoltaicas, cuyos materiales semiconductores convierten la energía solar en electricidad, consumen unas 60 toneladas de material por megavatio de potencia y pueden instalarse en cualquier lugar soleado. Las versiones modernas también son bastante duraderas y mantienen su rendimiento durante al menos dos décadas, lo que es comparable con las turbinas eólicas.

Hasta ahora, la mayor parte de la energía solar nueva proviene de grandes instalaciones en terrenos no utilizados. Las ciudades serían una mejor ubicación. Ya albergan a más de la mitad de la humanidad, serán el hogar de alrededor del 70 por ciento de las personas para 2050 y son, con mucho, los mayores consumidores de electricidad. Por lo tanto, sería una gran ayuda contar con recubrimientos fotovoltaicos que pudieran aplicarse, casi como pintura, a cualquier superficie urbana, conectados a inversores ubicados en edificios individuales y alimentados a las redes locales. Por supuesto, ayudaría si esos recubrimientos también fueran autolimpiantes.

Hemos hecho algunos progresos hacia tales superficies. Las células solares ahora se pueden hacer de plástico y las ventanas solares generadoras de electricidad están en el mercado. Además, el fabricante de vidrio Pilkington produce ventanas autolimpiables, cuyos recubrimientos fotocatalíticos e hidrofílicos reaccionan con la luz solar para descomponer y aflojar la suciedad orgánica. El siguiente paso será hacer que estos materiales sean baratos y adaptables. Luego, podemos instalarlos en una escala limitada solo por el tamaño de nuestras paredes y ventanas.

Plásticos más verdes

La producción mundial de plásticos se acerca a los 400 millones de toneladas al año. Mientras tanto, nuestros esfuerzos para reducir sus impactos ambientales dañinos son lamentables. El beneficio de prohibir las bolsas de la compra de un solo uso, por ejemplo, se ve eclipsado por el crecimiento de otros plásticos de un solo uso, como los blísters y las omnipresentes conchas que se utilizan en los envases de alimentos. Mientras tanto, solo una pequeña proporción de todo el plástico que desechamos se recicla o se incinera . En los países de altos ingresos, la mayoría termina en vertederos. En los países de bajos ingresos, especialmente en Asia, una gran cantidad ingresa al océano, donde los macro y microplásticos se acumulan en las aguas superficiales e incluso en las fosas más profundas.

Están disponibles alternativas biodegradables, derivadas de cultivos o producidas por microorganismos. Sin embargo, no se utilizan mucho y representan menos del 1 por ciento de toda la producción. Además, los plásticos realizan tantas funciones diferentes que necesitamos inventar una variedad de alternativas ecológicas que sean baratas y resistentes. Para eliminar la competencia con la producción de alimentos, estos no deben estar hechos de compuestos derivados de cultivos, sino de desechos orgánicos, microbios y material inorgánico fácilmente disponibles. Esto sigue siendo un desafío enorme, con recompensas igualmente enormes.

Hormigón armado sin cemento ni acero

El material dominante de la civilización moderna es el hormigón armado. Se compone de una mezcla de cemento, agua y áridos reforzados con varillas de acero. El cemento, a su vez, se fabrica comúnmente a partir de piedra caliza, conchas y tiza combinadas con esquisto, arcilla, pizarra, escoria de altos hornos, arena y mineral de hierro. La producción mundial de cemento ahora supera los 4 mil millones de toneladas al año y este proceso intensivo en energía representa alrededor del 8 por ciento de las emisiones globales de carbono. El cemento se mezcla con agua y áridos, principalmente arena, para fabricar 14 000 millones de toneladas de hormigón, y esto conduce al agotamiento de las arenas de los ríos y las playas. La arena del desierto es una mala elección porque sus granos están redondeados por la erosión del viento y, por lo tanto, son demasiado suaves.

El hormigón puede fabricarse sin cemento, sustituyéndolo por cenizas volantes o escoria de alto horno, pero la oferta de estos materiales es limitada y disminuirá aún más a medida que disminuya la combustión del carbón y se adopten nuevas técnicas de fundición de hierro. En 2021, investigadores japoneses anunciaron que habían encontrado una forma de hacer hormigón sin cemento , uniendo directamente partículas de arena (incluidas las de los desiertos) mediante una simple reacción en alcohol con un catalizador. Los esfuerzos para sustituir las varillas de acero en hormigón armado con una alternativa más ecológica están más avanzados. Ingenieros alemanes han construido el primer edificio del mundo hecho de hormigón reforzado con fibras de carbono. Sin embargo, era solo un proyecto de demostración y el hormigón de carbono era unas 20 veces más caro que el producto estándar. En el futuro, la mayor demanda de concreto provendrá de países de bajos ingresos, por lo que debemos combinar las dos tecnologías en un material que sea más económico que el concreto reforzado actual y luego aumentar la producción a nivel mundial.

Una sombrilla planetaria

El último elemento de mi lista es un poco un comodín. Es una idea controvertida , pero si no logramos progresar más en el control de las emisiones de gases de efecto invernadero, es posible que tengamos que recurrir a bloquear parte de la radiación entrante del sol. Hacer eso en el espacio usando un escudo gigante o una sombrilla sería una opción menos intrusiva que inyectar aerosoles absorbentes de radiación en la estratosfera. La idea del protector solar ha existido durante décadas, pero todavía está mucho más allá de nuestras capacidades para traducirla a la realidad.

La formación de una sombrilla capaz de desviar entre el 1 y el 2 por ciento de la luz solar implicaría el despliegue de miles de millones de pequeños y ligeros veleros autónomos o una enorme barrera, que podría adoptar la forma de un disco, una lente muy ligera o una fina malla de alambre. . Esta barrera tendría que estar aparcada a unos 1,5 millones de kilómetros de distancia, en el punto entre el sol y la Tierra donde sus fuerzas gravitatorias se anulan para que un objeto pueda permanecer en su posición.

Hay dos problemas gigantes con este plan. Primero, significaría lanzar algo del orden de 10 millones de toneladas de equipos al espacio. Incluso con suposiciones optimistas, eso costaría muchos billones de dólares. En segundo lugar, incluso si fuera técnicamente posible, el proyecto requeriría un consenso global vinculante y un marco legal antes de poder seguir adelante. La probabilidad de tal acuerdo aumentaría si el diseño fuera ajustable y controlable. Sin embargo, esta innovación parece mucho menos probable que suceda en el corto plazo que los otros artículos en mi lista de deseos.

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Mas grande y mejor

No necesariamente necesitamos nuevos inventos para hacer grandes mejoras para la humanidad y el planeta. Algunas ganancias rápidas podrían provenir de hacer lo que ya sabemos, solo que mejor y en mayor escala. Aquí hay tres cosas que podemos hacer ahora mismo que tendrían un gran impacto.

Eliminar las deficiencias de micronutrientes

Alrededor de una cuarta parte de la población mundial es anémica debido a la falta de hierro en la dieta. En la mayoría de los países del África subsahariana, la prevalencia oscila entre el 40 y el 50 por ciento. Alrededor de 250 millones de personas no tienen suficiente vitamina A, lo que puede provocar ceguera y reducción de la inmunidad. La deficiencia de yodo afecta a unos 2 mil millones de personas. Aumenta la mortalidad infantil y puede provocar retraso en el crecimiento y bocio. Y la deficiencia de zinc, que causa lesiones en la piel y pérdida de cabello, afecta al menos al 17 por ciento de la población mundial. Sin embargo, medidas como proporcionar suplementos de vitaminas y minerales y fortificar los aceites y las grasas con vitamina A, las harinas con hierro y la sal con yodo son económicas y muy eficaces. Eliminar las deficiencias de micronutrientes es quizás el avance más gratificante que podríamos hacer de inmediato:

Ajustar mejores ventanas

Reducir la demanda de energía es la mejor manera de reducir la huella de carbono de la humanidad sin nuevos inventos. Una forma obvia de hacer esto es reduciendo la cantidad que desperdiciamos. En los países de altos ingresos, los edificios representan entre el 35 y el 40 por ciento de la demanda total de energía, y las ventanas son su componente más ineficiente. El doble acristalamiento reduce la pérdida de calor de una ventana de acristalamiento simple en un 50 por ciento y el triple acristalamiento reduce otro 50 por ciento. Los revestimientos especiales del vidrio y el relleno de los espacios entre los paneles con argón aislante reduce la pérdida total en aproximadamente un 85 por ciento en comparación con un solo panel. Cambiar las ventanas no es barato, pero esta solución técnica es aplicable a miles de millones de ventanas en todo el mundo. También tendría beneficios durante décadas: los edificios suelen tener una vida útil más larga que los automóviles (alrededor de 12 años) y los procesos industriales (comúnmente de 20 a 30 años). Esta es una gran oportunidad para reducir el uso de energía, ahorrar dinero y descarbonizar al mismo tiempo.

Maximizar el reciclaje

Usamos enormes cantidades de energía y materias primas para producir una variedad cada vez mayor de artículos, pero aún reciclamos solo una fracción de lo que es rentable.– y menos aún de lo que sería deseable si se tienen en cuenta todos los costes medioambientales. Las tasas de reciclaje son particularmente bajas para el plástico, solo el 9 por ciento, la mitad del cual termina en un vertedero. Se recicla menos del 20 por ciento de los desechos electrónicos, a pesar de que contienen más oro, plata, cobre y metales de tierras raras que cualquier mineral conocido. Solo alrededor del 60 por ciento del papel se recicla. A nivel mundial, se reciclan unas tres cuartas partes del aluminio, pero las tasas nacionales pueden ser mucho más bajas: en los EE. UU., es solo el 50 por ciento. Los beneficios del reciclaje son bien conocidos, las soluciones técnicas están disponibles y las oportunidades abundan. No hay excusas. Deberíamos estar mucho mejor.

*Por Vaclav Simil.