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Sin materia y materiales, no podríamos crecer ni reproducirnos. La materia biológica es una fuente de crecimiento para la reproducción celular, aunque técnicamente podríamos, en algún momento, llegar a una etapa en la que podamos crear proteínas, enzimas y todo lo demás que necesitamos ¡sólo a partir de elementos abióticos y la fuente de energía adecuada! Sigue leyendo para saber más sobre el ciclo material, su definición y mucho más.
Definición del Ciclo de los Materiales
Los materiales son aquello de lo que están hechos los objetos y las sustancias, y están formados por átomos (elementos) que se combinan. Son los diminutos bloques de construcción de todo lo que nos rodea. Losprocesos naturales suelen enlazarse en secuencias que crean ciclos, en los quelos productos de desecho de un proceso son las materias primas de otros procesos.
El ciclo de los materiales es el proceso por el que los materiales se reciclan en el medio ambiente.
Losciclos de materiales se refieren a la forma en que los materiales se mueven por los ecosistemas.
Por ejemplo, el agua (H2O) circula por el medio ambiente, evaporándose de océanos y ríos, condensándose en nubes y volviendo a caer a la Tierra en forma de precipitaciones.
Del mismo modo, el carbono (C) y el nitrógeno (N) circulan por la atmósfera, las plantas y los animales.
Entonces, lo has adivinado... ¡el agua es un material! También lo es cualquier otra cosa con nombre, como el aire.
Bucle cerrado frente a bucle abierto
Actualmente, nuestros sistemas a gran escala son lineales, especialmente el sistema económico. Existe cierta ciclicidad en varios pueblos y comunidades de todo el mundo, pero en su mayor parte, la globalización y la industrialización funcionan según parámetros altamente insostenibles.
Losmodelos económicos humanos lineales conducen al agotamiento de los recursos y a la generación de residuos. Nuestroobjetivo actual es hacer avanzar nuestra economía hacia una economíacircular que integre mejor los conceptos de reutilización y reciclaje.
Una economía circular se centra en sistemas de bucle cerrado. Estos sistemas pueden procesar residuos, calor y otras formas de energía, sin permitir que escapen o se disipen en la atmósfera.
La dependencia de recursos energéticos no renovables , como los combustibles fósiles, no puede ser sostenible. Sin embargo, el uso generalmente ineficiente de los recursos, incluidos los renovables, puede acelerar las tasas de agotamiento de las materias primas o esenciales.
Eluso humano de losrecursos minerales a menudo implica la dispersión tras su uso o la producción de mezclas cuya separación es difícil.
Monómeros y polímeros
¿Cómo debemos llamar a un montón de átomos que se juntan para formar materiales? ¡Para eso tenemos los monómeros y los polímeros!
Monómeros es el nombre que reciben las moléculas pequeñas individuales que pueden unirse para formar "estructuras monoméricas mayores", conocidas como polímeros.
El poliestireno es un polímero sintético (artificial) hecho de monómeros deestireno (que se dan de forma natural).
En la polimerización, los monómeros se unen mediante enlaces químicos para crear largas cadenas. El tipo de monómero y el número de monómeros de una cadena determinan las propiedades del polímero resultante. Los polímeros pueden ser naturales (como el ADN, cuyas dos hebras que forman una doble hélice son polímeros) o sintéticos, que desempeñan un papel esencial en todo, desde elenvasado de alimentos hasta los materiales de construcción.
Por lo general,los polímeros sólo pueden reintegrarse de forma segura en el medio ambiente como monómeros. Pueden reciclarse de nuevo en monómeros para su aplicación industrial mediante la despolimerización. La despolimerización puede conseguirse por diversos medios, como enzimas, ácidos (productos químicos) o calor, pero algunos procesos son menos sostenibles que otros.
Ejemplo de ciclo material
En elcontexto de laciclicidad natural, los seres humanos tienden a extraer materiales de los sistemas biológicos, utilizarlos , separar sus componentes químicos y devolverlos en una forma diferente al medio ambiente. El medio ambiente también puede bloquear ciertos elementos, como los hidrocarburos (compuestos orgánicos), en la litosfera, haciendo así que esos elementos sean en gran medida inaccesibles para las formas de vida que viven en la superficie.
Millones de hojas muertas caen cada temporada en los ecosistemas forestales, y los árboles necesitan muchos recursos para que vuelvan a crecer las hojas cuando la temperatura y las precipitaciones lo permiten. Necesitan átomos y moléculas que les son esenciales. Los árboles vuelven a extraer estas moléculas vitales, como el fósforo (P), de sus hojas ¡antes de que caigan cada otoño!
Todo organismo necesita átomos y moléculas específicos para sobrevivir. La descomposición, posibilitada por la presencia de oxígeno, microorganismos, lombrices de tierra, etc., garantiza que los procesos químicos del medio ambiente sigan siendo cíclicos.
Tanto los combustibles fósiles como losrecursos minerales son buenos ejemplos de ciclicidad material completada o acelerada por el ser humano.
Uso de combustibles fósiles
Los combustibles fósiles se forman mediante el lento proceso de compresión de materia animal y vegetal muerta a lo largo de millones de años. Estos combustibles fósilesse extraen mediante minería y perforación porque representan una fuentede alta densidad energética.
Las fuentes densas en energíaincluyen moléculas simples, como el hidrógeno (H), y compuestos como los hidrocarburos, piensa el petróleo.
Los combustibles fósiles han sido esenciales para el desarrollo de la sociedad humana, pero también han causado daños medioambientales.
La quema de combustibles fósiles libera a la atmósfera emisiones nocivas, como óxidos nitrosos (N2O) y dióxido de carbono (CO2) , en el momento de la combustión y durante el procesamiento (por ejemplo, la eliminación de lascenizas del carbón), que contribuyen al cambio climático. Además, la minería y la extracción de combustibles fósiles afectan negativamente a las vías fluviales o al suelo cuando se liberanmetales pesados como elplomo (Pb), el mercurio (Hg) y el cadmio (Cd) al quemar el carbón.
En cuanto a la eliminación segura de los residuos, las cenizas de carbón se transportan fácilmente por aire y suponen el mayor peligro para la salud humana y medioambiental. Los residuos o el aceite usado (aceite fósil desnaturalizado o contaminado con otras sustancias) pueden ser difíciles de eliminar.
Los combustibles fósiles no pueden devolverse a la Tierra tras su extracción.
Una central eléctrica (de carbón) (en EEUU) que funcione durante 40 años dejará 9,6 millones de toneladas de residuos tóxicos.1
Uso de los recursos minerales
Los recursosminerales se refieren a los componentes como arenas y otros agregados, metales (plata) y minerales (olivino) de la corteza terrestre. Los minerales se diferencian químicamente entre sí porque pueden tener distintos orígenes
orgánicos (biogénicos): como los constituyentes de la piedra caliza utilizados en la industria del cemento,
inorgánicos: como la bauxita utilizada para fabricar acero y aluminio.
La pirita y los minerales sulfurados son hábitats de quimiolitótrofos acidófilos (un tipo de bacterias que adoran los ambientes ácidos).
Algunos microorganismos se utilizan para extraer minerales, como el hierro (Fe). Esto se conoce como biominería. También se pueden utilizar para reciclar residuos: el uso de ácidos suele ser tóxico para el medio ambiente, por lo que en su lugar se puede utilizar el metabolismo de los microorganismos.
Comprender la relación entre los microorganismos y los minerales ayudará a desarrollar técnicas y tecnologíaseficaces de biorremediación.
La biorremediación utiliza organismos vivos para remediar entornos muertos o contaminados.
Necesitamos entornos vivos porque un entorno abiótico cicla los materiales más lentamente que uno vivo. Esto se debe a que los organismos vivos facilitan los ciclos biogeoquímicos en la Tierra.
Los recursos minerales dedesecho pueden proceder de
Consumidores que ya no necesitan bienes usados, como coches viejos.
Industrias que fabrican o realizan otras actividades que no necesitan los subproductos, como el cobre (Cu).
Entre lasrazones por las que puede resultar difícil reciclar están los tiempos de espera para recuperar los materiales del producto (que van desde unos pocos días en el caso de una lata de aluminio hasta muchos años en el caso de coches u ordenadores), así como ladisipación, la contaminación o la pérdida de calidad (por ejemplo, las sales disipadas en el suelo se funden o se mezclan con otros elementos), y las restricciones de precio (reciclar puede ser más caro que extraer los materiales del medio natural).
Ciclos de los materiales en el ecosistema
Todas las materias primas de que disponemos tienen su origen en los ecosistemas naturales. Pormucho que los humanos necesiten estos recursos para su tecnosfera, el mundo natural necesita ciclar algunos de ellos.
La tecnosfera es un sistema formado por todas las cosas tecnológicas y todo lo que interactúa con ellas: ¡incluidos los humanos, nuestros satélites, Internet y los aeropuertos o canteras!2
Los materiales circulan continuamente en la Tierra en un proceso llamado ciclo biogeoquímico o el ciclo de los nutrientes.
Ambos se refieren a la circulación de la totalidad de los elementos entre la materia viva y los componentes abióticos de su entorno.
Los microorganismos suelen aportar o facilitar el ciclo de numerosos elementos, como el oxígeno (O2), el carbono (C), el fósforo (P) y el nitrógeno (N).
Entre los métodos a través de los cuales los microorganismos facilitan los ciclos biogeoquímicos en la Tierra se incluyen la nitrificación, en la que las plantas convierten el amoníaco (NH3) en nitratos (NO3-), o la respiración, que es la liberación de energía a partir de la glucosa.
Elciclo de residuos y materiales en los ecosistemas tiende a ser no tóxico. El daño quelos metales pesados tóxicos , como el uranio (U) y el arsénico (As), causan en los tejidos es mayor que las ventajas que proporcionan, y los organismos vivos no han evolucionado para procesarlos directamente. Cuando existen materiales potencialmente tóxicos, suelen estar unidos a otros minerales, lo que los hace más estables, inertes y/o con menos probabilidades de filtrarse.
Como formamos parte de los mismos procesos que dieron forma a la vida durante millones de años en la Tierra, lo que es tóxico para nuestro entorno, suele ser también perjudicial para nosotros.
Nuestra capacidad para imitar los sistemas naturales e integrarlos en nuestra tecnosfera se denomina a veces biomimetismo y otras innovación, sobre todo cuando se nos ocurre algo nunca visto en la naturaleza. Nuestra tecnología nos permite eliminar mejor los residuos y evitar la acumulación de toxicidad.
Los filtros UV, el uso de almejas para limpiar el lecho marino, los sistemas de filtración de agua mineral y la mineralización acelerada de las rocas (elCO2 se convierte en roca) son ejemplos de tecnologías de "limpieza" inspiradas en la naturaleza.
Algunos organismos y ecosistemas dependen totalmente de los recursos "residuales " procedentes de otro lugar. Lo que nosotros vemos como residuos, para ellos es un material valioso o un subproducto.
El alimento que llega al fondo de los mares (conocido como bentos) se denomina a veces "nieve marina". La nieve marina está formada principalmente por partículas o polvo, finos restos de "materia muerta y desechos excretados" (detritus).Los organismos que viven en el fondo dependen más de los ciclos biogeoquímicos porque suelen alimentarse de fuentes secundarias o terciarias.
Ventajas de los Ciclos Materiales en el Ecosistema
El ciclo industrial/de consumo se refiere principalmente a las actividades humanas y puede compararse con el ciclo material natural de nuestro ecosistema.
El ciclo industrial/de consumo se refiere a cómo se extraen los materiales del medio ambiente (minería, tala, etc.), cómo los utiliza la industria (fabricación, etc.) y cómo se devuelven al medio ambiente (eliminación de residuos).
Sin embargo, a diferencia de los actuales ciclos de materiales industriales/de consumo, los ciclos de materiales de los ecosistemas naturales suelen tener siempre las siguientes ventajas
Biodegradabilidad: los componentes moleculares de los materiales ciclados pueden ser utilizados por los organismos para mantener los procesos vitales y ser recirculados.
No toxicidad: los monómeros y las moléculas individuales son bastante buenos a la hora de permanecer "no tóxicos" en nuestra atmósfera actual. A veces, pueden ser expulsados en formas concentradas (veneno, respiraderos hidrotermales, etc.)
Simbiosis: las bacterias, como las fijadoras de nitrógeno, ayudan a introducir materiales inorgánicos en el mundo orgánico a cambio de recibir azúcares de las plantas.
Evolución: los materiales existentes pueden evolucionar de forma natural o ramificarse en otros nuevos y desarrollar características únicas.
Loscientíficos siempre pueden utilizar moléculas y materiales existentes en la naturaleza para desarrollar otros nuevos: el kevlar es un material de alta resistencia construido sintéticamente a partir de monómeros de tal forma que puede bloquear impactos balísticos, por ejemplo, de balas.
El estudio de los ciclos de los materiales nos ayuda a comprender cómo se mueven los materiales por el medio ambiente y cómo pueden reutilizarse o reciclarse. Todas las moléculas pueden convertirse en otra cosa. El reciclaje es una forma de ayudar a cerrar el ciclo de los materiales, reutilizándolos en lugar de desecharlos. Esto garantiza que no se desperdicien recursos valiosos y ayuda a proteger el medio ambiente.
Ciclos de los materiales - Puntos clave
Los materiales están hechos de átomos, los diminutos elementos que rodean y componen todo lo que nos rodea. Su ciclo en la Tierra es continuo gracias a procesos bióticos y abióticos.
El agua que se condensa de las nubes en el suelo, las hojas de los árboles que caen y las lombrices de tierra que se comen la materia orgánica muerta son ejemplos de materiales que se ciclan y reciclan.
Los modelos económicos lineales, a diferencia de los circulares, no permiten la recirculación no contaminante de la materia porque no invierten suficientes recursos en investigación e instalaciones de reciclaje.
Existen materiales sintéticos y naturales, pero el ser humano puede producir polímeros principalmente a partir de los monómeros naturales existentes que extrae de las plantas, las arenas bituminosas, etc.
La biodegradabilidad, la simbiosis y la no toxicidad deben incorporarse a la tecnosfera.
Referencias
- gem.wiki, Metales pesados y carbón, 2021.
- UNESCO, La insoportable carga de la tecnosfera, 2019.
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