Minerales finitos

La cantidad y variedad de materias primas que se consumen para sustentar las economías está creciendo exponencialmente. Este aumento se ve además exacerbado por la necesidad de descarbonizar la economía y desarrollar tecnologías renovables. La eólica, la fotovoltaica o el coche eléctrico tienen en común que para fabricarse necesitan una gran cantidad de elementos, muchos de ellos escasos (Valero, Valero, Calvo, Ortego et al., 2018). Algo parecido ocurre con las tecnologías digitales, cuya electrónica está basada en una gran variedad de elementos químicos. También la agricultura es fuertemente dependiente de las minas de fosfato y de nitrógeno, producido con gas natural. Un teléfono móvil requiere más de 35 elementos químicos; un vehículo convencional o eléctrico necesita más de 50, y las energías renovables junto con el almacenamiento electroquímico y la producción de hidrógeno verde necesitan ingentes cantidades de metales raros. Y se llaman raros porque son geológicamente escasos en el planeta Tierra. Para al menos catorce elementos químicos, las reservas actualmente disponibles no son suficientes para cubrir la demanda esperada hasta el 2050 (Valero, Valero, Calvo y Ortego, 2018). Estos elementos son: cadmio, cobalto, cromo, cobre, galio, indio, litio, manganeso, níquel, plata, plomo, platino, teluro y cinc.

La rareza y la insuficiencia de materias primas ya no es un asunto académico, sino una realidad evidenciada en la rotura de las cadenas de suministro de multitud de productos. Este problema, que inicialmente parecía ser pasajero por los parones debidos a la covid-19, sigue estando presente en la actualidad. Incluso la Agencia Internacional de la Energía (IEA –por sus siglas en inglés–, 2021), un organismo que suele ser prudente en sus mensajes, ha alertado sobre los enormes riesgos de suministro de materias primas que pueden hacer peligrar la transición energética y digital, lo que evidencia que el problema no es coyuntural sino estructural.

Dicho esto, son muchas las voces que afirman que el planeta está por explorar y que la tecnología permitirá, como lo ha hecho en el pasado, superar dichos problemas de escasez. En efecto, las soluciones que se plantean a la escasez de recursos se dirigen principalmente a aumentar los esfuerzos en descubrir y explotar nuevos yacimientos minerales y a promover el reciclado de los materiales esenciales para la economía.

En este artículo aportamos una mirada termodinámica sobre los límites de la extracción de recursos y los límites del reciclado, ya que esta disciplina de la física nos permite evaluar de forma rigurosa cómo estamos agotando los recursos del planeta.

El comportamiento exponencial de la entropía

Nuestra sociedad no acaba de comprender los comportamientos exponenciales. La extracción de minerales en el planeta crece a un ritmo tal que, si seguimos así, antes del año 2050 estaremos consumiendo más del doble de lo que se extrae actualmente, y entre hoy y el 2050 habremos extraído más minerales que en toda la historia de la civilización humana. Por ello, es necesario revisar el mensaje de la entropía: su carácter exponencial nos ayudará a entender y valorar aquellos comportamientos. Pero, pese a las advertencias de Georgescu-Roegen (1971), la economía actual no ha aprendido ni acerca de la entropía, ni de los límites planetarios, tal y como expusimos en Valero y Valero (2022).

Figura 1. Sucesiva explotación de las reservas y recursos hasta el posible límite del colapso. En una primera fase, observamos los costes actuales de extracción. En una segunda fase, se contemplan los costes de explotar los recursos probables, que serán necesarios en caso de que las reservas actuales de minerales no sean suficientes. La última fase es Thanatia, en la cual sobrepasaríamos el límite del colapso. / Fuente: Elaboración propia

En termodinámica, un proceso irreversible es aquel que podría volver a recuperar el estado inicial del que ha partido, pero lo hará a costa de necesitar mucha más energía que la liberada en el proceso de ida. Un cubito de hielo se funde espontáneamente, pero si queremos volver a formarlo, necesitaremos una energía muy superior a la que fue necesaria para licuarlo. Como con el cubito de hielo, todos los procesos espontáneos son irreversibles y volver al estado inicial cuesta mucho. Así que la reversibilidad es en términos prácticos inalcanzable, aunque nos sirve como referencia para cuantificar lo lejos que nos encontramos del comportamiento ideal, que se medirá con la entropía generada de los procesos en unidades de energía dividido por temperatura (kJ/K) o más cómodamente con la exergía en kilojoules (kJ). Cuanto más irreversible sea un proceso, más entropía se habrá generado o lo que es lo mismo, más exergía se habrá destruido.

Empecemos con un ejemplo fácil de entender. Supongamos una mezcla de azúcar y sal. Lo primero que observamos es que al mezclarlos no se desprende energía. Pero si queremos separarlos es casi imposible: se necesitaría un trabajo inmenso para conseguirlo (lo cual haría económicamente inviable tal separación). Sin embargo, la termodinámica nos dice que necesitaríamos emplear ¡la misma energía! que se desprende cuando se mezclan el azúcar y la sal que para separarlos. Es evidente que la «realidad» no funciona así: ¿qué sucede aquí? ¿Y si empleamos tecnología bacteriana? Si dejamos que unas bacterias se coman el azúcar, veremos que ellas apenas emplean esfuerzo para hacerlo (obviamente mucho menos que la energía que les da el azúcar, pero no más). Lo que tenemos que concluir es que nuestras tecnologías son verdaderamente ineficientes, y están muy lejos del límite que marca la termodinámica. Los procesos reales son irreversibles y nuestras tecnologías se hallan muy lejos (mucho más que las bacterias) de la reversibilidad. Esto significa que la irreversibilidad aumenta exponencialmente al querer descontaminar el azúcar de la sal, o bien la sal del azúcar. La separación de las últimas partículas contaminantes requiere una energía exponencialmente creciente. Dicho esto, no es nuestra ignorancia tecnológica la que impone tal comportamiento, sino la física, que describe el caso ideal de separación. En efecto, descontaminar una mezcla de dos sustancias desde un 50/50 % a un 49,1/50,9 %, no requeriría casi esfuerzo, es decir, no habría casi irreversibilidad medible en kilovatios hora (kWh). Pero hacerla desde un 1/99 % hasta un 0,1/99,9 % requeriría muchísima más energía por unidad de masa separada. Sin embargo, esto no será casi nada si lo que se deseara fuera separar hasta un 0,01/99,99 %. De tal forma que la energía requerida para la descontaminación (o alternativamente la purificación) crece exponencialmente con el grado de pureza/separación que queramos obtener.

Los procesos extractivos obedecen a ese comportamiento. Supongamos que ahora la sal es un mineral dado, y que está disperso en una matriz rocosa (mena). A medida que las leyes minerales (la concentración del mineral en el yacimiento) van disminuyendo, el esfuerzo necesario para extraer y separar ese mineral de la mena aumenta exponencialmente.

Los procesos metalúrgicos también están sometidos a ese comportamiento. Los costes energéticos de refinar para purificar un elemento aumentan exponencialmente con el grado de pureza.

Hay que resaltar que la realidad tecnológica está profundamente alejada de la termodinámica. Los procesos de extracción y beneficiado de minerales tienen unos costes energéticos muy elevados, y exponencialmente mayores con leyes decrecientes del depósito mineral que se explota. Lamentablemente, la tecnología minera se desarrolla lentamente y muy alejada del comportamiento ideal. Igualmente, los costes energéticos de la reducción, purificación y refinado de los metales son, incluso, mucho mayores, y siempre muy alejados de su mínimo termodinámico cuanto más queramos purificarlos. Esta ley igual sirve para descontaminar nuestras emisiones que para purificar los productos industriales. El sentido común nos dice que paremos el proceso en algún momento, ya que la física impedirá obtener el absoluto 0/100 %.

Límites termodinámicos a la extracción

La extracción de minerales obedece a la ley de rendimientos decrecientes. Es decir, podemos extraer las primeras manzanas de un árbol sin apenas esfuerzo, pero, una vez agotado ese primer nivel, necesitamos progresivamente más medios para recoger las siguientes; de la misma manera estamos induciendo el agotamiento de las mejores calidades de mineral, consumiéndolas en dirección a un planeta degradado en recursos, al que denominamos Thanatia (Valero et al., 2021; Valero y Valero, 2014).

La Figura 1 describe ordenadamente los costes de extracción reales frente a la concentración mineral, desde el elemento en el mercado actual a la minería dividida en tres fases: la primera, de las reservas tanto explotadas como por explotar, así como las oportunidades de explotación de los relaves (los residuos sólidos del procesamiento de los minerales) y la minería urbana favorecida por una decidida economía circular. La segunda fase es la de los recursos probables, que habrá que explotar si las reservas y las existencias de minerales en uso no es suficiente. Antes de llegar a explotar las rocas comunes, en la tercera fase, o sea Thanatia, ocurrirían incontables colapsos económicos y ecológicos, pues los efectos de la minería desbordada sobre el medioambiente y la sociedad serían probablemente inasumibles, lo que hace rentable incluso la minería espacial. Así que el problema no es de agotamiento, sino de impactos socioplanetarios y de deuda con las generaciones venideras.

Las energías renovables, como la eólica, necesitan de gran cantidad de elementos para su construcción, entre ellos muchos metales raros que dependen de unos recursos que son limitados. En las imágenes, un trabajador en una fábrica de aerogeneradores en Canadá. Joan Sullivan / Climate Visuals Countdown

Es evidente que las tecnologías siempre van mejorando, pero no compensan el aumento de los costes energéticos de extracción, cuando los yacimientos bajan mucho su ley (se agotan). Este fenómeno tiene su lógica, ya que la minería extractiva mueve cada vez mayores cantidades de áridos, que crecen exponencialmente mientras las leyes minerales decrecen y las tecnologías no aumentan su eficiencia tan rápidamente.

En este sentido, la minería actual utiliza masivamente las energías fósiles, la electricidad, el agua y los reactivos químicos. Diversos estudios evalúan que la minería metálica actual es responsable ya de alrededor del 10 % del consumo energético mundial.

Pero como la extracción de combustibles fósiles también está sujeta al comportamiento entrópico aquí descrito, la energía consumida por la minería no fósil aumentará su precio a la vez que su demanda. En otras palabras, las materias primas de origen minero van a sufrir en el futuro enormes subidas de precio. Y ello sin contar sus consumos de agua, reactivos y costes sociales asociados.

Es importante discernir entre escasez másica de minerales y su rareza que podríamos denominar escasez exergética. En efecto, si la corteza contiene 10²¹ toneladas de minerales y de un metal escaso (por ejemplo, cobalto) solo hay una concentración de 10^-10 tn/tn corteza, aún habría 10¹¹ tn disponible en la corteza. Si anualmente se extraen 100.000 tn, habría metal para 10¹¹/10⁵ = 1 millón de años. Es decir, no habría escasez en términos de cantidades disponibles en la corteza, aunque el metal sea raro.

El concepto de rareza (o escasez exergética) atiende a la concentración del mineral en la corteza terrestre y a las leyes físicas, y se basa en fenómenos reales. Termodinámicamente hablando, pasar de una concentración de un 1 % a un 0,1 % requiere, como mínimo absoluto, al menos 10 veces más energía, agua, relaves, infraestructuras y destrucción de ecosistemas. Si ahora se fuerza a explotar menas con una riqueza del 0,01 % o del 0,001 % se requerirán 100 o 1.000 veces más (¡al menos!), con respecto a las menas del 1 %. Y así sucesivamente. La tecnología nunca podrá ser más eficiente que los límites termodinámicos. Solo podrá acercarse lejanamente a ellos.

En cualquier caso, «nunca» hablamos de tiempos de agotamiento, sino de incremento de costes de extracción que obedecen a la ley de la entropía, no al mercado, aunque este lo refleje en los precios. Es decir, que como ya hemos dicho, la extracción es un fenómeno estructural, no coyuntural. Y hoy empezamos a vislumbrar que aquellos elementos químicos raros deben valorarse más que los abundantes y tienden a ello.

Límites termodinámicos del reciclado

Mina de cobalto en la República Democrática del Congo, donde se encuentran más del 50 % de las minas de este mineral en el mundo. El cobalto se utiliza en la fabricación de baterías de dispositivos como teléfonos móviles, tabletas y ordenadores portátiles. / Fairphone

Al contrario que los combustibles fósiles, los minerales, una vez usados, no se pierden. En teoría, podrían volver a emplearse una y otra vez. Sin embargo, estamos extremadamente lejos de alcanzar un 100 % de reciclabilidad para todos los elementos de la tabla periódica. La mayor tasa a la que hemos llegado, la del plomo, apenas supera globalmente el 60 % (UNEP, 2011). Hay muchas causas a este problema, pero la más importante es la relacionada con la incapacidad técnica de recuperar todos y cada uno de los elementos que se utilizan en la tecnosfera. En este caso, la culpa no solo la tiene la falta de tecnología adecuada, que desde luego dista mucho de ser óptima. Las causas son más profundas y están relacionadas con la termodinámica y en particular con la irreversibilidad y el concepto de entropía antes explicado.

La irreciclabilidad es en realidad un caso particular de la irreversibilidad. La cuestión que se plantea es: ¿cuál es el coste físico de recuperar los materiales? Una sustancia pura de baja entropía, al mezclarse con otras sustancias para producir un producto, aumenta su entropía, y pierde calidad (exergía). Si el proceso fuese ideal, o sea, reversible, seríamos capaces de recuperar completamente los materiales con poco esfuerzo. Naturalmente, la realidad dista mucho de esa quimera y recuperar su estado de pureza solo puede realizarse a costa de mucha más exergía (energía útil) de la que se perdió en el proceso de mezcla. La irreciclabilidad de los materiales está, por tanto, relacionada con la entropía generada, asociada a la fabricación de ese producto. A su vez, esta, que es una medida del desorden, depende del número de componentes de la mezcla (el producto) y las cantidades relativas de cada elemento (concentración) y de la energía de cohesión de todo el conjunto.

Además, la relación entre costes de separación y concentración no es lineal. Como hemos visto, purificar al 99,9 % cuesta exponencialmente más energía que hacerlo hasta el 99 %. Por ello es importantísimo mantenerse en las especificaciones exactas del proceso/producto, porque pasarse implica que los costes se disparan. Mantener la calidad es sinónimo de eficiencia. Igualmente, es de vital importancia evitar mezclar más de lo necesario. En este sentido, el reciclado puede ir en la dirección opuesta de la creación de materiales más resistentes y con propiedades superiores, como las denominadas aleaciones de alta entropía (Lim, 2016), que alean tres, cuatro o más metales para conseguir aleaciones de alta resistencia, flexibilidad, ductilidad, etc. Justamente su ostentoso nombre hace referencia a la otra cara de la moneda de estas superaleaciones: la imposibilidad técnica de su reciclado.

La irreciclabilidad también está relacionada con la naturaleza de los materiales que se han mezclado y aquí entra en juego la metalurgia. Con los procesos físicos de separación (que son generalmente los menos costosos), solo podemos aspirar a recuperar los metales férricos, el aluminio y el cobre principalmente. Si se desea ir más allá y recuperar metales menores, pero valiosos, deberemos acudir a la metalurgia. Las tasas de reciclado dependen fuertemente de la composición de los materiales de entrada al proceso metalúrgico. Así que, en el reciclado de un determinado producto, se deberá decidir en un primer momento, cuáles son los metales que se quieren recuperar para escoger la ruta metalúrgica a aplicar.

A diferencia de los combustibles fósiles, los minerales, una vez usados, en teoría podrían volver a emplearse una y otra vez. No obstante, estamos lejos de alcanzar un 100 % de reciclabilidad, por la incapacidad técnica y también por el gran coste energético que esto implica. En la imagen, teléfonos móviles en Ghana seleccionados para su reciclado. / Fairphone

Imaginemos que escogemos la ruta metalúrgica del acero. En ese caso tendremos que asumir que cualquier impureza de cobre que entre en el proceso de recuperación se perderá. Para evitar que esto ocurra, lo ideal es desensamblar al máximo el producto para conseguir que cada fracción vaya al proceso adecuado y no se pierdan los metales menores (Reuter et al., 2013).

En definitiva, cerrar completamente los ciclos, que es el objetivo de la denominada economía circular, es, termodinámicamente hablando, imposible. Por eso, nosotros preferimos llamarla economía espiral (Valero y Valero, 2019a, 2019b), ya que, en cada ciclo, irremediablemente perdemos una cantidad de materiales y además facilita identificar y reflexionar sobre el porcentaje de reciclado como algo siempre superable pero nunca alcanzable en su totalidad.

En un planeta finito

Muchas voces niegan el declive de las leyes minerales, y alegan que el planeta está por explorar, pero una cosa es ver el comportamiento minero a corto y medio plazo y otra negar la geología física. Este agotamiento no es una cuestión de escasez geológica, dada la inmensidad de la corteza, sino del esfuerzo creciente que se requiere para extraer leyes de mineral en continuo declive. La termodinámica no habla de plazos, pero sí de certezas sobre los fenómenos que siempre crean entropía. Mientras los grados de mineral disminuyen lenta, pero progresivamente, el agotamiento es un proceso entrópico aún mayor. Tarde o temprano las minas se irán agotando (y, por otra parte, nuestra sociedad es cada vez más reacia a abrir nuevas minas, lo que crea un desabastecimiento/ encarecimiento equivalente a ese declive que se niega).

Lamentablemente, aunque la tecnología mejore, no será suficiente para remover los millones de toneladas, siempre crecientes, que necesitará la minería por venir. Y, finalmente, los materiales una vez concentrados y utilizados se desechan en vertederos de todo el mundo y acaban dispersos en la corteza terrestre, en los océanos o en la atmósfera (como es el caso de los gases producidos por la quema de combustibles fósiles).

Eso significa que las transiciones energética y digital están sometidas a la ley de la entropía. Quienes lleguen primero a implantar energías renovables, automoción eléctrica, hidrógeno y digitalización integral no tendrán demasiados problemas de escasez de materiales (aunque sí de precios, aún asumibles): pero al aumentar especialmente la demanda de materias críticas, aumentarán los precios exponencialmente conforme su demanda crezca y las minas se vayan agotando.

El problema del agotamiento de los minerales se convierte, así, no en una ausencia de materiales, sino en un suministro insuficiente de energía. No hay materiales sin energía e igualmente no hay energía sin materiales (y en realidad se da un triple nexo si se tienen en cuenta las consecuencias medioambientales y sociales asociadas a la extracción de minerales). En definitiva, los minerales son no renovables, su extracción declina su calidad y su fin de uso es dispersivo, pero no desaparecen.

Recuperar estos materiales y evitar sus usos dispersivos es clave para frenar dicho agotamiento. Pero si los productos no se diseñan de acuerdo a su fin de vida, el reciclado se hace extremadamente costoso y en muchos casos inviable. Es, por tanto, fundamental diseñar adecuadamente todos los bienes materiales, entendiendo la termodinámica y la metalurgia que hay detrás.

Hay que desarrollar intensamente la economía espiral, la desmaterialización, la sustitución de materiales raros por otros más abundantes y la biomimesis. Se debe aprender de la naturaleza. Y aprender a dar valor a aquello valioso que la naturaleza nos da gratis, porque no sabemos ni queremos amortizarla; es decir, devolverle el préstamo en forma de reposición, regeneración, reparación y de recuperación de la dotación planetaria de nuestra riqueza mineral, que rápidamente estamos degradando. Eso lo pagarán las generaciones futuras. Es, como mínimo, una arrogancia de nuestra generación dejar a nuestros descendientes las minas más agotadas y las mayores contaminaciones de las aguas, de la atmósfera y una tierra baldía. En un planeta finito, no caben deseos infinitos. Es urgente plantear una reducción drástica del consumo. Es un mensaje desde la termodinámica para la tan buscada justicia intergeneracional.