Basura plástica en el mar

Lector: si tienes dudas o desconfianza sobre los peligros del material no orgánico, te sugiero que leas con atención este Blog. Tal vez comprendas así que es preferible que te sirvan la caipirinha, el mojito o un batido con canutos de cartón y no de plástico. Recuerda que hay que depositar los deshechos en contenedores diferentes, cada uno con su color …

Las «manchas»

Uno de los problemas medioambientales más preocupantes de los tiempos actuales es la acumulación de basura plástica en el mar. Desgraciadamente, las corrientes oceánicas tienden a mover los residuos que depositamos cerca de nuestras costas hacia zonas bien definidas. Para comprender bien lo que ocurre, podemos imaginar el fenómeno como si fuera un torbellino en una piscina tragándose un objeto. Esto ha generado cinco «manchas» (patches). Cada una de ellas contiene millones de toneladas de residuos. La más grande de ellas, denominada la «Great Pacific Garbage Patch» (GPGP), está situada a medio camino entre Hawai y California y tiene una superficie  equivalente al triple de la superficie de Francia.

La basura acumulada está bien repartida sobre el océano y por debajo del mismo y sus elementos poseen tamaño variado, que va del de las redes de pesca abandonadas (decenas de metros) al de los microplásticos (pocos milímetros).

La situación es muy grave. Las manchas afectan al mundo marino y al medio ambiente en general en varios aspectos:

• Envenenamiento: muchos peces se alimentan por error de residuos plásticos, con grave riesgo de salud. Obviamente, este peligro se transmite a muchas otras especies a través de la cadena alimenticia.

• Transporte de especies: muchas algas, cangrejos y crustáceos de varios tipos se adhieren a los plásticos y son transportados de un lugar a otro. En el caso de especies invasivas, pueden establecerse en ubicaciones inadecuadas y afectar muy negativamente a los ecosistemas.

• Pesca fantasma: las redes abandonadas continúan atrapando peces con frecuencia, creando serios desequilibrios.

No se sabe a ciencia cierta cómo evolucionará el problema. Pero hay serias razones para creer que, si no se hace nada, el volumen de residuos continuará aumentando, lo que posiblemente traerá muy desagradables consecuencias en el ámbito del medio ambiente (y de la navegación y la economía).

Para evitar la catástrofe, acciones de varios tipos son posibles:

• Acciones preventivas, principalmente basadas en identificar y eliminar las fuentes de generación de plástico. Por supuesto, cobran especial importancia aquí los elementos educativos. Pero también son esenciales las campañas de concienciación y toda otra iniciativa que evite el depósito arbitrario de residuos.

• Eliminación de plásticos en zonas costeras, donde el acceso es relativamente sencillo.

• Limpieza y eliminación de las manchas. Aquí, la tarea es por el contrario muy complicada por varias razones: su localización, sus enormes dimensiones, la diversidad de propiedades y tamaño de los residuos, etc.

El OCS001 de Boyan Slat

En 2013, una solución fue propuesta por Boyan Slat, un joven inventor y emprendedor holandés, véase la descripción en [1]. Se basa en el despliegue de un sistema, el Ocean Cleanup System 001 (OCS001), consistente en una larga estructura flexible de unos 600 m de la que cuelga una red de unos 3 m de altura. La idea es transportar el sistema al borde de la GPGP y mover el plástico hacia puntos de acumulación estratégicamente elegidos, de manera que, en dichos puntos, sea posible recogerlo, almacenarlo provisionalmente en botes apropiados y transportarlo a tierra, para que éste pueda posteriormente ser reciclado.

El sistema debe tener en cuenta y utilizar con provecho las características del viento, las olas y las corrientes marinas. Su acción se debe basar en movimientos suficientemente rápidos que permitan controlar el plástico.

El OCS001 entró en funcionamiento recientemente. La primera de las 60 flotas previstas inició sus tareas a finales de 2018:

1. El 8 de septiembre de 2018 partió de la Bahía de San Francisco. Tardó aproximadamente 5 días en llegar al área de pruebas.

2. Una vez llegado a la misma, adoptó el clásico perfil de U por primera vez. Tras dos semanas de exitosos tests, partió al encuentro de la GPGP.

3. La llegada se produjo 12 días después (una distancia aproximada de 1000 millas náuticas a una velocidad de 2 a 4 nudos).

4. El 16 de octubre de 2018 el OCS001 llegó a la mancha. De nuevo se desplegó en forma de U y comenzó las labores de limpieza. Las operaciones fueron monitorizadas permanentemente, con objeto de observar el comportamiento del sistema y su entorno.

5. El 3 de enero de 2019 el sistema inició un viaje provisional a tierra firme para reparaciones y actualizaciones menores. Llegó a Hilo Harbor (Hawai) el 17 de enero, estando prevista su marcha en el plazo máximo de una semana.

Los expertos han estimado que, a pleno rendimiento, el sistema será capaz de eliminar el 50% de la basura de la GPGP en 5 años. Con un sistema similar para cada mancha, se piensa que el 90% del total de residuos desaparecerá hacia 2040. Así, cabe esperar que el OCS001, usado en combinación con otros métodos de prevención y eliminación de residuos, conduzca a océanos libres de plásticos hacia 2050.

El modelo y los problemas de control

El comportamiento de la «mancha» puede ser modelado con un sistema de EDPs, próximo a las ecuaciones de Navier-Stokes, aunque incorporando términos no habituales. Una versión simplificada, bi-dimensional en espacio, es la siguiente:
$$
\left\{
\begin{array}{l}
\mathbf{u}_t – \nu \Delta\mathbf{u} + (\mathbf{u}\cdot\nabla)\mathbf{u} + \nabla p = \mathbf{h} + \mathbf{B}(f,\psi), \\
\nabla \cdot \mathbf{u} = 0, \\
\psi_t – \kappa \Delta \psi + \mathbf{u} \cdot \nabla \psi = k + m(f,\psi).
\end{array}
\right.
$$

Aquí, \(\mathbf{u}\), \(p\) y \(\psi\) son, respectivamente, el campo de velocidades y la presión del agua y una función que mide la intensidad de contaminación (esencialmente, la densidad de plástico en el mar). Por otra parte, \(\mathbf{h}\) y \(k\) están ligadas a las condiciones ambientales (viento, corrientes marinas, aportación de plástico adicional, …) y \(f\) es una función de control asociada a la tarea de limpieza. La estructura particular de los términos \(\mathbf{B}(f,\psi)\) y \(m(f,\psi)\)  depende del modelo elegido. Esta estructura, junto con la elección de \(f\), debe permitir identificar la estrategia de eliminación de residuos, es decir, la posición del sistema, el perfil preciso que debe adoptar la estructura, la localización de los puntos de acumulación, etc.

Las cuestiones más importantes que se pueden formular para este problema son las siguientes:

• Fijados los datos \(\mathbf{h}\), \(k\) y \(f\) y fijadas condiciones adicionales standard (de contorno e iniciales), queremos saber cómo evolucionan en el tiempo las variables \(\mathbf{u}\) y \(\psi\). Esto permitiría predecir el futuro.

• Yendo más allá, aceptando que el cálculo precedente es posible, cabe preguntarse cuál es el mejor \(f\) posible. Por ejemplo, será interesante determinar el control \(f\) que conduce a valores mínimos de \(\psi\) en un instante futuro dado. Esto daría respuesta a varias preguntas de importancia fundamental: ¿Dónde debemos comenzar las operaciones? ¿Cuál es el perfil óptimo para el despliegue del OCS001? ¿Dónde deben estar situados los puntos de acumulación?

Ninguna de estas cuestiones posee respuesta sencilla. Cabe esperar que las técnicas más recientes del análisis y control de problemas diferenciales aporten luz en este contexto en el futuro inmediato.

Para saber más

[1]  B. Slat y otros, How the oceans can clean themselves, The Ocean Cleanup, The Netherlands, 2014.

[2] https://marinedebris.noaa.gov/info/plastic.html

[3] https://blog.marinedebris.noaa.gov/microplastics-megafauna

[4] https://blog.marinedebris.noaa.gov/marine-debris- invasive-species

[5] https://marinedebris.noaa.gov/current-efforts/prevention

[6] https://www.theoceancleanup.com/system001/