En el fondo del mar de los hechos

Enormes cantidades de metano se encuentran atrapadas en los fondos marinos y frente a las costas de todo el mundo. La pregunta que preocupa a los científicos de todo el mundo es: ¿Dónde se encuentran estas fuentes y qué proporción de este gas de efecto invernadero se libera a la atmósfera? El Centro Helmholtz de Investigación Polar y Marina (AWI) del Instituto Alfred Wegener utiliza un espectrómetro de masas submarino para investigar estas fuentes de metano. El Transpector® CPM de INFICON desempeña un papel fundamental en este sistema de medición.

El metano (CH4) es el gas de efecto invernadero más nocivo después del CO₂. Su importancia es cada vez mayor porque los efectos de punto de inflexión, como el deshielo de los suelos de permafrost en Siberia o la descomposición de los hidratos de gas en los océanos, lo liberan a la atmósfera en concentraciones cada vez más elevadas.

En los sistemas acuáticos, el metano puede formarse de varias maneras: por un lado, el metano de las capas más profundas es un producto final de la petroquímica. Los yacimientos de gas se encuentran a menudo por encima de los depósitos de petróleo. El metano puede llegar a la superficie a través de grietas en los sedimentos y el lecho marino.

Otra fuente submarina de metano procede de la descomposición microbiana de la materia orgánica en las capas sedimentarias inferiores de los sistemas acuáticos.

A medida que avanza el cambio climático, los sedimentos marinos que almacenan este gas de efecto invernadero se calientan y liberan cada vez más este gas incoloro e inodoro al sobresaturarse. La pregunta crucial para la concentración en los sistemas acuáticos es, por tanto: ¿Cuánto metano del fondo marino se libera a la atmósfera para acelerar el calentamiento global en el ciclo global del carbono? Para responder a esta pregunta, es necesario analizar en detalle las fuentes submarinas de metano.

El uso in situ de un espectrómetro de masas submarino (UWMS) es adecuado para este fin. Este método puede utilizarse para localizar y cuantificar fugas activas de metano. Las principales ventajas de esta técnica son el tiempo de respuesta muy corto a concentraciones elevadas y la velocidad de medición de las concentraciones de gas disuelto, que es hasta 750 veces superior a la de otros métodos. Esta elevada densidad de datos permite elaborar mapas espaciales y temporales más precisos de las fuentes de metano.

El UWMS consta de un sistema de entrada de membrana para el muestreo y una unidad de sensores en la que se miden en línea y en tiempo real los gases solubles en agua y los hidrocarburos ligeros. La pieza central del sensor es un espectrómetro de masas. La AWI confía desde hace tiempo en el Transpector® CPM de INFICON para sus UWMS de investigación de depósitos de metano en sistemas acuáticos. Con su precisión y velocidad de medición, el sistema contribuye de forma significativa a la estabilidad de los datos y a la facilidad de uso del espectrómetro de masas submarino.

Este fue también el caso en diciembre de 2022, cuando el buque de investigación y abastecimiento polar Polarstern participó por última vez en una expedición cerca del archipiélago de Georgia del Sur, en el Atlántico Sur, para explorar allí fuentes de metano con el espectrómetro de masas submarino. El rompehielos alemán, que celebró su 40 aniversario en el año de la expedición, es uno de los buques de investigación polar más potentes del mundo. El Polarstern puede atravesar 1,5 metros de hielo ártico a velocidad constante. Esto lo convierte en uno de los buques de investigación polar más potentes del mundo. A bordo: el científico Dr. Torben Gentz del Departamento de Geoquímica Marina del AWI y el ingeniero Malte Höhn.

El investigador informó de que el UWMS no estaba operativo debido a los daños causados por el transporte al borde del Antártico. "Me puse en contacto con nuestro contacto en INFICON, Steffen Tippmann, para llevar a cabo las investigaciones de todos modos. Después de que el capitán desviara todo el volumen de datos de nuestro ordenador, Steffen Tippmann consiguió que el aparato volviera a funcionar tras la localización remota de averías y una recalibración del sistema", explica el Dr. Gentz, describiendo la llamada de servicio.

"El mantenimiento a distancia sólo funciona hasta cierto punto y luego hay que llegar al hardware. Pero el AWI no sólo cuenta con científicos inteligentes, sino también con técnicos hábiles. Realizaron con éxito la intervención necesaria en el hardware y nosotros completamos el resto a distancia", afirma Steffen Tippmann.

El Dr. Gentz también sabe apreciar un apoyo tan rápido y comprometido porque lleva participando activamente en el proyecto UWMS desde 2006: "Llevamos utilizando el dispositivo en el AWI desde 2005. El trasfondo de la compra era desarrollar una plataforma que pudiera utilizarse para recoger datos relevantes para el clima", recuerda. El sistema tal y como se utiliza hoy en día no tiene casi nada que ver con el dispositivo original: entre otras cosas, hay una nueva unidad de control y nuevas bombas de vacío. "El único componente elemental que queda es el CPM de INFICON", subraya el Dr. Gentz.

"Desde entonces, no hemos dejado de optimizar. Durante mi tesis, desarrollé una criotraptura que puede eliminar hasta el 95% del vapor de agua en el flujo de volumen total, por lo que pudimos mejorar el límite de detección en un factor de 10. Por tanto, ya no estamos en 100 nmol/L, sino en unos 10 nmol/L", subraya el Dr. Gentz. Esto significa que el dispositivo puede utilizarse en todas estas regiones para obtener datos válidos.

Al principio, los pescadores sabían dónde se encontraban los puntos de desgasificación de metano o CO₂ porque los bancos de peces prefieren retozar en los lugares donde suben las burbujas de gas, explica el Dr. Torben Gentz. Con métodos modernos como las mediciones con ecosondas, cada vez se descubren más puntos de desgasificación en todo el mundo, por ejemplo en los taludes continentales. Estos aparatos de medición se montan debajo del barco y miden así el fondo marino. Los ROVS (Vehículos Operados a Distancia) o AUVS (Vehículos Submarinos Autónomos), en los que se integra la tecnología de medición, se utilizan para realizar mediciones de altísima resolución del fondo marino.

Gentz describe el proyecto y el uso del espectrómetro de masas submarino como un éxito, pero que requiere un desarrollo constante. La motivación para ello es grande: "En los últimos años, he vuelto a reconstruir completamente el sistema junto con Malte Höhn, con el resultado de que hemos mejorado la profundidad operativa de 200 metros a 3000 metros". Para lograrlo, hubo que construir un recipiente a presión de titanio completamente nuevo, adecuado para estas profundidades, y rediseñar por completo el sistema de entrada de muestras.

La división de tareas tras la recolección de datos es clara: "Los científicos sólo podemos señalar la evolución, los escenarios y las posibles consecuencias. Y para ello, primero tenemos que comprender lo que ocurre allí con la ayuda de nuestros sistemas". Por supuesto, lo que ocurra con estos hallazgos en el siguiente paso es una cuestión completamente diferente. Un gran número de investigadores de renombre del AWI participan en este proceso. El Dr. Gentz señala que los datos procesados pasan finalmente, entre otras cosas, al Informe de Evaluación del IPCC.

El informe se presenta, por ejemplo, a los políticos. Similar al informe del Consejo Alemán de Expertos Económicos, que documenta la situación actual. "Lo que luego se haga con él depende de los políticos. Como científicos, tenemos que liberarnos de eso", afirma Gentz. La motivación de los científicos es averiguar el papel de los océanos en el sistema climático mundial. "Nos hemos centrado en el gas de efecto invernadero metano y hemos estudiado los métodos con los que se pueden medir mejor estas relaciones".

Los sistemas de monitorización de procesos compactos (CPM) se utilizan a menudo en la producción de semiconductores y en el sector SEMI para la monitorización y el control de procesos, así como para la monitorización de la contaminación. Combinados con el software FabGuard IPM, pueden realizarse soluciones de sistemas complejos en la industria. Los sistemas CPM también se utilizan en investigación, química, análisis de materiales y física. La ventaja de la fuente de iones cerrada cobra aquí toda su importancia. Puede utilizarse para ionizar directamente al vacío del proceso (presión del proceso) o a una presión mucho mayor que con una fuente de iones abierta. Un sistema de bomba diferencial, como el instalado en el CPM, es un requisito previo. Esto puede complementarse con un sistema de entrada variable y conmutable, que puede utilizarse para cubrir una amplia gama de presiones de análisis, desde la atmósfera hasta el alto vacío.

Las aplicaciones especiales, como en el AWI, también aprovechan las ventajas de la fuente de iones cerrada; el gas de proceso se ioniza a una presión mayor que con una fuente de iones abierta. Así se consigue un mayor rendimiento iónico, un mayor número de partículas cargadas, que pueden separarse en el cuadrupolo según su relación masa-carga y visualizarse. El resultado es una declaración mucho más precisa y detallada para su posterior procesamiento en investigación o control de procesos.