En la actualidad, los investigadores han dado un paso adelante hacia la consecución de esta difícil hazaña, gracias a un dispositivo que resulta aún más eficiente que la fotosíntesis natural y depende de materiales abundantes y de bajo coste.
Las células solares convencionales producen electricidad cuando un material fotovoltaico es expuesto a la luz. El nuevo dispositivo da un paso más, usando la electricidad resultante de dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, que puede ser almacenada y utilizada para generar electricidad a través de una célula de combustible.
El nuevo dispositivo aún está en su fase inicial de desarrollo de laboratorio, y siguen existiendo retos importantes antes de que pueda ser comercializado.
Daniel Nocera, profesor en el MIT, reveló los detalles preliminares del dispositivo, al que él se refiere como la primera "hoja artificial" práctica, en la reunión nacional de la Sociedad Química Americana en Califo ia el 27 de marzo. El dispositivo combina una célula solar ya disponible en el mercado con un par de catalizadores de bajo coste de cobalto y níquel que dividen el agua en oxígeno e hidrógeno. Utilizando este enfoque, un panel solar de aproximadamente un metro cuadrado, bañado en agua, podría producir hidrógeno suficiente para abastecer una casa en un país en desarrollo con electricidad para el día y la noche, afirma Nocera.
Usando una célula solar de película delgada de silicio capaz de convertir la energía en luz con una eficiencia del 7 por ciento, Nocera asegura que su grupo logró un cinco por ciento de eficiencia en la conversión de la luz solar en hidrógeno. La fotosíntesis natural tiene una eficiencia menor al 1 por ciento en la conversión de luz solar en energía.
El dispositivo no es el primero en tratar de mejorar la fotosíntesis natural. Sin embargo, sí ofrece claras ventajas sobre los dispositivos anteriores, que o bien utilizan costosos catalizadores de metales preciosos para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, o realizan la división de agua indirectamente con un dispositivo independiente, que es menos eficiente y más costoso.
El dispositivo de Nocera es el primero en usar materiales de catalizador baratos y abundantes incorporados a una célula solar. "Tenemos un trozo de silicio cubierto con catalizadores que se puede poner en un vaso de agua, y comienza a dividir el agua en hidrógeno y oxígeno", explica.
El dispositivo es posible gracias a diversos avances recientes. En primer lugar, Nocera desarrolló un catalizador de cobalto capaz de separar el oxígeno del agua en 2008, aunque el catalizador no podía aplicarse directamente al silicio, ya que podría bloquear la luz solar entrante. Para su nuevo dispositivo, Nocera aplicó una capa delgada de cobalto al silicio que bloquea sólo del 2 al 3 por ciento de la luz entrante. Antes de aplicar el catalizador, recubrió el silicio con una fina membrana que lo protege de la oxidación, pero permite que la corriente eléctrica pase a través de él.
Un nuevo catalizador a base de níquel también desarrollado recientemente por Nocera se aplica al otro lado del silicio para separar el hidrógeno del agua. Los catalizadores de níquel ya utilizados en otros dispositivos de separación de agua conocidos como electrolizadores acabarían rápidamente siendo inútiles debido al fosfato y borato presentes en el agua. Los resultados de las pruebas iniciales del dispositivo se han presentado para su publicación. Demuestran que puede funcionar durante al menos seis días sin perder ni una gota de eficiencia, afirma Nocera.
John Tu er, investigador del Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, Colorado, afirma que la capacidad de utilizar un catalizador de cobalto prácticamente transparente es un avance clave, y la eficiencia reportada resulta prometedora. "Se extrae la mayor cantidad de eficiencia de la célula", afirma Tu er. "Si él comienza con una célula del 11 o 12 por ciento, disponibles en el mercado, debe ser capaz de alcanzar ago mucho mejor. No obstante, tendríamos que ver lo que puede hacer una vez que consiga una célula mejor".
Sin embargo, Tu er afirma que Nocera tendrá que demostrar tiempos de funcionamiento mucho mayores—decenas de miles de horas. "Puede que posean la durabilidad, pero tienen que seguir para poder mostrarla", advierte.
Sun Catalytix, una empresa fundada por Nocera, trabajará con el gigante industrial indio Tata para comercializar la tecnología a nivel residencial en los países en desarrollo. Las empresas ya están trabajando juntas para desarrollar otro dispositivo de fotosíntesis artificial desarrollado previamente por Nocera. Este dispositivo inicial se basa en un panel solar de 100 vatios y requerirá un electrolizador separado y conectado por cables al panel. Se debería vender por alrededor de 100 dólares.
El dispositivo también tendría que estar emparejado con una célula de combustible que convirtiese el hidrógeno almacenado en electricidad. Nocera afirma que espera entregar a Tata este dispositivo inicial productor de hidrógeno y basado en energía solar a finales de 2011. La nueva hoja artificial debería ser menos costosa, pero podrían pasar entre dos y dos años y medio antes de que un prototipo comercial esté preparado, afirma Nocera.
James Stevens, miembro investigador de Dow Chemical, afirma que la tecnología todavía tiene un largo camino por recorrer. "Hay mucho por hacer antes de que esto pudiera ser práctico", asegura. "La eficiencia es baja y los costes de capital de estas cosas son muy altos".
Otras cuestiones prácticas, como el almacenaje seguro del gas de hidrógeno y evitar que el sistema se congele en temperaturas bajo cero, son también importantes desafíos, afirma Stevens. "No estamos realmente interesados en el estado de esta técnica en su forma actual", afirma.