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Santtu Mustonen

Energía

El duelo de la fotosíntesis artificial: dos enfoques, mismo objetivo

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Este extracto de 'Taming the Sun', el nuevo libro de Varun Sivaram, repasa las líneas de investigación de dos científicos rivales decididos a encontrar una fuente de combustible limpio que se alimente de lo mismo que las hojas de las plantas: agua, CO2 y la luz del Sol

  • por Varun Sivaram | traducido por Mariana Díaz
  • 07 Marzo, 2018

Desde principios de la década de 1970, los científicos intentan desarrollar una tecnología para producir combustible líquido a partir del dióxido de carbono, el agua y la luz solar de forma más eficiente que la propia fotosíntesis, el proceso que utilizan las plantas para convertir la luz solar en hidratos de carbono y almacenar energía. Los científicos lo llaman, la hoja artificial.

Una hoja artificial comercialmente viable ayudaría a resolver los obstáculos más complicados de la energía limpia. Gracias a ella, dispondríamos de una forma directa y asequible de almacenar la energía solar capaz de producir combustible neutro en carbono. Esta nueva fuente de energía podría transformar por completo el sector del transporte, ya que permitiría ofrecer viajes en avión de larga distancia, respetuosos con el medio ambiente.

Las dos fases fundamentales del proceso han avanzado lentamente pero de forma importante. La primera consiste en desarrollar los catalizadores que utilizan la energía solar para dividir el agua en sus componentes básicos: oxígeno e hidrógeno. La segunda fase aborda la creación de otros catalizadores capaces de convertir el hidrógeno y el dióxido de carbono en un combustible de alta densidad energética. Por último, el gran logro final necesitaría combinar los resultados de ambas fases en un único proceso asequible y escalable con materiales muy disponibles y de bajo coste.

En el siguiente extracto del nuevo libro del físico y miembro del Consejo de Relaciones Exteriores, Varun Sivaram, el autor analiza los últimos avances y los distintos enfoques de dos científicos rivales dispuestos a crear y comercializar una hoja artificial. Los científicos son Nathan Lewis de Caltech y Daniel Nocera de la Universidad de Harvard (ambos en EE.UU.).

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Hace poco, en una tarde agradable en Beverly Hills (EE. UU.) los miembros del Consejo de Relaciones Exteriores se reunieron en un hotel para escuchar la estrategia de un científico para crear una hoja artificial. Muchos ejecutivos y exembajadores del público no sabían que esperar. Algunos intercambiaron miradas nerviosas mientras yo presentaba al invitado. Parecía que estaban a punto de asistir a una clase aburrida de física.

Pero mi invitado de esa noche, el profesor del Instituto de Tecnología de California (Caltech) Nate Lewis, es un caso extraño dentro de la comunidad de científicos. A diferencia de la mayoría, Lewis tiene una gran habilidad para transmitir conceptos complejos en frases pegadizas que añade a sus líneas de investigación en forma de argumentos convincentes. Lewis peina canas, lo que demuestra que su investigación en la fotosíntesis artificial empezó hace décadas. Lo primero que hizo cuando se subió al escenario fue plantear su visión sobre el futuro de la energía solar con una frase directa: "¿No hay capacidad de almacenamiento? Entonces esta tarde ya no tendremos energía".

En voz baja y arrastrando las vocales, Lewis defendió que este fallo implica que necesitamos desesperadamente desarrollar tecnologías capaces de almacenar la energía solar en forma de combustible que pueda ser utilizado cuando necesitemos. Para ello, su propuesta es un generador integrado de energía solar, un elegante dispositivo que absorbe agua y luz solar y los convierte en hidrógeno gaseoso y oxígeno. Este hidrógeno se podría utilizar como combustible para vehículos, para generar electricidad para la red o como materia prima para generar otros combustibles más complejos como la gasolina.

Lewis, que también es investigador principal del Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial (JPAC, por sus siglas en inglés), espera que su hoja artificial supere el rendimiento de las plantas más eficientes de la naturaleza. A pesar de su éxito, a las plantas se les da muy mal convertir la luz solar en energía. Aunque usted no domine el proceso de la fotosíntesis, el color verde de las hojas indica que convertir toda la energía solar en energía no parece la prioridad de las plantas, ya que las hojas de color negro absorberían una mayor cantidad de luz solar. Los cloroplastos verdes en las células de las hojas funcionan bastante bien para cubrir las necesidades de una planta. Realizan reacciones químicas complejas alimentadas por la energía solar, convierten el dióxido de carbono y el agua en el azúcar que almacenan para sus necesidades de supervivencia y reproducción. Pero en todo este proceso, las plantas más eficientes solo convierten el 1 % de la luz solar que reciben en energía almacenada.  

En cualquier caso, la vegetación ofrece un modelo genérico para convertir la luz solar en energía. Al principio de la fotosíntesis, las plantas separan el agua para generar hidrógeno y oxígeno. El oxígeno se evapora en la atmósfera mientras que el hidrógeno es utilizado para alimentar las siguientes reacciones químicas.

El mecanismo que las plantas utilizan para dividir el agua ofrece bastante información. La primera lección es que ellas separan las dos partes de la reacción química para dividir el agua, una parte produce hidrógeno y la otra oxígeno. La evolución no es un proceso incendiario sino que sucede por una razón. En este caso, el diseño de las reacciones químicas separadas evita que el hidrógeno arda espontáneamente en presencia del oxígeno. La segunda lección es que las plantas tienen catalizadores, o moléculas que aceleran la semirreacción de la división. La tercera, es que las plantas separan las dos reacciones para dividir el agua a través de una membrana que no solo mantiene separados al hidrógeno y al oxígeno, también permite el paso de iones cargados, un paso importante para evitar un desajuste de carga.

Los investigadores especializados en desarrollar generadores de energía solar deben diseñar un conjunto similar de componentes. Dos materiales conocidos como fotoelectrodos se sumergen en agua para absorber la energía luminosa necesaria para realizar cada una de las semirreacciones para dividir el agua. Dos catalizadores aceleran a cada una de esas semirreacciones. La membrana, llamada célula fotoelectroquímica (PEC, por sus siglas en inglés), evita que el dispositivo explote.

Pero el parecido con la fotosíntesis natural acaba aquí. Como Lewis dice, después de inspirarse en pájaros con plumas, los humanos eliminaron las plumas e inventaron el 747. A diferencia de las plantas, los generadores integrados de energía solar del futuro puede que no utilicen dos fotoelectrodos verdes que compiten entre ellos para absorber la misma parte del espectro solar. En lugar de eso, el ánodo que crea oxígeno a partir del agua debería aprovechar los colores de la luz hasta el extremo azul del espectro y dejar pasar los colores hacia el lado rojo para que sean absorbidos por el cátodo inferior que produce hidrógeno.

Para producir energía asequible serán necesarios materiales económicos y que estén ampliamente disponibles. Pero las necesidades de las PEC van más allá. También necesitan que estos materiales sean seguros, fuertes y eficientes. Desafortunadamente, hasta la fecha, los dispositivos desarrollados solo cumplen tres o cuatro de estas características.

Lo primero es la seguridad. Para prevenir que el hidrógeno y el oxígeno se mezclen y que exploten, una PEC necesita una membrana para separar las dos semirreacciones. Pero la semirreacción que produce oxígeno a partir del agua puede dar como resultado agua ácida, mientras que la semirreacción que produce hidrógeno puede dar como resultado agua casi alcalina. Así que los científicos tienen que encontrar materiales para los fotoelectrodos y los catalizadores que no se disuelvan ni corroan en medios ácidos o alcalinos. Este requisito descarta muchos materiales económicos incapaces de sobrevivir en estas condiciones. Por lo tanto, un generador de energía solar hecho con materiales económicos y equipado con una membrana que garantice la seguridad del dispositivo podría no superar la prueba de fuerza.

Ahora analicemos la cantidad de energía solar que el dispositivo puede convertir en energía almacenada en forma de hidrógeno. Esta eficacia depende de la capacidad de los fotoelectrodos de absorber luz solar en conjunto y la velocidad a la que separan el agua las dos semirreacciones. Con fotoelectrodos y catalizadores elegidos cuidadosamente, un generador de energía solar puede, teóricamente, alcanzar una eficacia de más del 30 %. Los semiconductores más caros ofrecen una mayor variedad de materiales para escoger pero los componentes económicos tienen una oferta mucha más limitada. De igual forma, los metales preciosos que se usan como catalizadores, como el platino, son eficaces a la hora de acelerar las reacciones pero ni son abundantes ni baratos. El equipo interdisciplinario de investigadores dirigido por Lewis empezó a hacer simulaciones informáticas para abordar el problema de encontrar materiales capaces de satisfacer los cuatro criterios. Para ello, simularon miles de componentes y probaron los mejores candidatos en el laboratorio.

La clásica intuición científica también jugó un papel importante en el proceso de investigación y tuvo un poco de suerte. Dos ejemplos destacan. El primero es que Lewis y sus colaboradores se inspiraron en los catalizadores que se utilizan en las refinerías de petróleo para eliminar el azufre que contamina el aire generado por los productos petrolíferos. Estos catalizadores son baratos y aceleran muy bien la semirreacción que produce hidrógeno. Desafortunadamente aún no han encontrado un catalizador económico y efectivo para la semirreacción que produce oxígeno.

El segundo ejemplo tuvo lugar por accidente cuando los investigadores del laboratorio de Lewis, sin querer, cubrieron las muestras con una capa fina de dióxido de titanio. El resultado fue sorprendente. El dióxido de titanio es el ingrediente clave en las cremas solares que protegen la piel al bloquear los rayos ultravioletas de la luz solar. Sin embargo, en este accidente, la fina capa hizo algo totalmente diferente, ya que evitó que la solución alcalina se comiera los fotoelectrodos y los catalizadores.

Juntos, el enfoque prestado por la industria petrolera y el descubrimiento accidental del protector solar permitieron que Lewis y sus compañeros investigadores en Caltech hicieran un gran avance. En 2015 anunciaron un generador integrado de energía solar capar de convertir la luz solar en combustible de hidrógeno con una eficiencia del 10 %. La cifra no supone un gran avance, otros proyectos previos ya habían alcanzado eficiencias de hasta el 22 %. La diferencia clave del dispositivo de Caltech era que utilizaba catalizadores más económicos y abundantes en la Tierra y era capaz de bombear oxígeno durante dos días seguidos. Pero como prueba de concepto, el prototipo era una burla para la posibilidad de crear un producto comercialmente viable.

Cuando esta tecnología logré convertirse en un producto comercial, probablemente no se parecerá mucho a las hojas de las plantas que la inspiraron. Lewis se lo imagina como un toldo extendido a lo largo de una amplia extensión que absorbe los rayos solares y que incorpora tubos de desagüe para recoger el hidrógeno producido. Es un concepto completamente distinto al del prototipo de un centímetro cúbico que su equipo había creado, pero cuando se escucha a Lewis, es difícil no soñar en grande.

El Santo Grial

Al otro lado del país, otro aclamado científico también intenta comercializar la hoja artificial. Al igual que Lewis, el investigador de la Universidad de Harvard Dan Nocera combina hábilmente la ciencia y la comunicación como celebridad científica, una especie de Carl Sagan de los paneles solares. Nocera tiene la virtud de conectar con una audiencia diversa, desde reuniones científicas de la Sociedad Americana de Física hasta las cumbres de la élite del Instituto Aspen. Si su público está cenando un filete, rompe el hielo preguntándoles: "¿Saben qué están masticando? ¡El Sol! La ternera es energía solar".

A pesar que tanto Lewis como Nocera comparten las canas, la habilidad para conectar con grandes audiencias y hasta tuvieron al mismo supervisor en sus estudios de máster, sus enfoques para producir una hoja artificial son totalmente diferentes y los ha llevado a una rivalidad profesional. Mientras que Lewis se centra en producir hidrógeno, Nocera quiere saltarse este elemento y construir un dispositivo que absorba la luz solar para producir directamente combustibles que contengan carbono y así poder reemplazar, de forma inmediata, los productos derivados del petróleo.

Durante un tiempo, Nocera también se centró en la producción de hidrógeno. En 2011 captó la atención de la comunidad científica al colocar en un vaso de agua lo que parecía un oscuro sello de correos. Esto hizo que el hidrógeno y el oxígeno  burbujearan en lados separados. A pesar de su simpleza, esa hoja artificial era el resultado de 30 años de investigación que empezaron cuando aún era estudiante de postgrado en Caltech. Cuando comunicó su avance, Nocera decidió comercializar su nueva tecnología.

Desafortunadamente estaba a punto de aprender la lección que casi todas las otras start-up de energía limpia de Silicon Valley (EE. UU) habían aprendido:después de haber realizado un impresionante descubrimiento en laboratorio, lo más difícil viene después. Nocera recuerda: "Hice el Santo Grial de la ciencia, ¡genial! Pero eso no quiere decir que hiciera un Santo Grial para la tecnología, y esto es lo que los científicos y los profesores no entienden". Sun Catalytix, su empresa emergente, terminó alejándose de la energía solar para desarrollar baterías para almacenar energía para la red eléctrica (en 2014 Lockheed compró la compañía por una cantidad sin revelar).

Pero la experiencia no le ha impedido seguir buscando santos griales. De hecho, el objetivo actual de Nocera para aprovechar la luz solar, el agua y el dióxido de carbono para producir combustibles líquidos a base de carbono es aún más complicado. Los posibles beneficios de esta tecnología son convincentes. Los combustibles líquidos ya disponen de infraestructura a nivel global que incluye almacenes, oleoductos transcontinentales y tanques petroleros, sin olvidar las ubicuas estaciones de servicio en todo el mundo. Un dispositivo capaz de transformar la luz solar en combustibles que ya se utilizan podría aprovecharse de esa infraestructura.

Lewis sostiene que la ruta más prometedora para fabricar combustibles a base de carbón a partir de la luz solar involucra tomar como intermediario al hidrógeno generado por el Sol. A partir de aquí, los procesos industriales que ya se conocen permitirían combinar el hidrógeno con el dióxido de carbono (capturado de fábricas y plantas energéticas que queman combustibles fósiles) para producir una gama de combustibles útiles conocidos como hidrocarburos. Una "refinería solar" podría crear la misma gama de hidrocarburos que se producen actualmente en las refinerías de petróleo, y que posteriormente se emplean como combustibles para el transporte o se convierten en una amplia gama de productos, desde plásticos hasta productos farmacéuticos.

A pesar de que todo esto suena muy futurista, Nocera intenta algo aún más difícil. Quiere saltarse el paso intermediario de la producción de hidrógeno, y utilizar la luz solar, el agua y el dióxido de carbono para producir hidrocarburos directamente. Si logra realizar esta maniobra de manera rentable y a escala, podría convertirse en el método más eficiente para almacenar la luz solar en los combustibles más versátiles conocidos por la humanidad.

Desde un punto de vista científico, parece casi imposible. El solo hecho de separar el agua para generar hidrógeno y oxígeno ya es muy complicado, así que crear el hidrocarburo más simple, el metano que se utiliza para generar gas natural, es una propuesta mucho más compleja. Para lograrlo hace falta descubrir nuevos materiales para absorber la luz y catalizar las reacciones químicas. Como resultado, una tecnología comercial para crear hidrocarburos directamente a partir de la energía solar, está mucho más lejos que una capaz de producir hidrógeno.  

Sin embargo, en los últimos tres años Nocera ha hecho una serie de avances que parecían imposibles. El primero fue un cambio conceptual: en lugar de usar dispositivos artificiales para conquistar la fotosíntesis, ¿por qué no aprovechar la naturaleza? Nocera sabía que la naturaleza utiliza enzimas propias como catalizadores de la fotosíntesis para convertir la luz solar en azúcares complejos. Se dio cuenta de que las bacterias modificadas genéticamente podrían hacer lo mismo si se las equipa con un arsenal de potentes enzimas.

Así que en 2015 Nocera construyó un dispositivo híbrido que primero separa el agua con un catalizador inorgánico para hacer hidrógeno, al igual que lo hacen las otras tecnologías de fotosíntesis artificial. Luego, el mismo dispositivo alimenta a la bacteria con el hidrógeno producido y dióxido de carbono puro para producir combustibles líquidos. Pero a pesar de que a los bichos se les daba increíblemente bien convertir el dióxido de carbono y el hidrógeno en una variedad de combustibles, eran incompatibles con el catalizador inorgánico que produce formas de oxígeno reactivo que destruían el ADN de las bacterias.

Después, en 2016, Nocera y sus compañeros publicaron un estudio en la revista Science donde anunciaban, de forma triunfante, un nuevo catalizador hecho con una aleación de cobalto y fósforo. Esta mezcla no solo dejaba intacta a la bacteria, también se autoensamblaba a partir de la solución, imitando al catalizador de autorreparación de la naturaleza. Con la bacteria y el catalizador en armonía, el dispositivo de Nocera era capaz de convertir la luz solar en combustibles alcohólicos con una eficiencia del  10 %. Nocera informó de que las bacterias deberían ser capaces de crear otras moléculas basadas en carbono para una variedad de aplicaciones, desde combustible para vehículos hasta plásticos. Y así lo demostró en 2017 con un híbrido de catalizador-bacteria que puede fijar el nitrógeno atmosférico para producir amoniaco. Este es un descubrimiento tentador porque alrededor del 1 % de la energía que se consume en el mundo se utiliza para producir amoniaco para fertilizar las cosechas y alimentar al mundo. El prototipo de Nocera sugiere que algún día la luz solar podría ser la que alimente este proceso, en lugar de los combustibles fósiles que se usan actualmente.

El jurado todavía está deliberando sobre si la decisión de Nocera de aprovechar los organismos vivos es una buena idea. Está claro que las bacterias son bastante quisquillosas y sensibles a la acidez y a la temperatura de su entorno, y por lo tanto son difíciles de diseñar. Actualmente, las inversiones se centran en los dispositivos que utilizan la luz solar para producir hidrógeno, lo que los ayuda a avanzar más rápido que los que intentan producir hidrocarburos directamente. Pero al combinar la sabiduría de la naturaleza con los materiales más innovadores, los investigadores podrían saltarse al hidrógeno en la búsqueda de una ruta más viable hacia el último Santo Grial, encontrar un remplazo para los combustibles fósiles que sea 100 % limpio y sin interrupciones.

Texto extraído de 'Taming the Sun: Innovations to Harness Solar Energy and Power the Planet de Varun Sivaram', publicado por MIT Press. © 2018 Instituto de Tecnología de Massachusetts. Todos los derechos reservados.

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