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Energía

Fotogalería: El combustible ideal se fija en las plantas

Un químico de materiales a nanoescala está cerca de imitar las hojas de las plantas y transformar el agua y el dióxido de carbono en el combustible que necesitamos

  • por Katherine Bourzac | traducido por Carmen Rus
  • 28 Diciembre, 2015

En un día soleado cualquiera en el campus de la Universidad de California en Berkeley (EEUU), el sosegado crujir de las hojas de los eucaliptos oculta la frenética actividad química que se está desarrollando en el interior de cada una de ellas. Gracias a la fotosíntesis, las hojas utilizan la energía de la luz solar para transformar el agua y el dióxido de carbono en sustancias necesarias para las plantas, y emiten únicamente oxígeno durante el proceso. Cerca de allí, en un laboratorio, el químico Peidong Yang está creando un sistema artificial que hace lo mismo, a partir de una matriz de nanocables combinada con bacterias manipuladas genéticamente. Si algo así se aplicara algún día a mayor escala, daría lugar a la producción masiva de una versión mejorada de los combustibles que utilizamos hoy en día (una producción que no aumentaría el total de dióxido de carbono en el aire). 

Siempre ha resultado complicado imitar la fotosíntesis en el laboratorio. En la década de 1970, un equipo de investigadores de la Universidad de Tokio (Japón) demostró por primera vez que un dispositivo alimentado con energía solar podía hacer lo mismo que hace la fotosíntesis en su primer paso: la separación de moléculas de agua para obtener hidrógeno y oxígeno. Tras un auge inicial en las actividades, el campo se quedó estancado. Sin embargo, la investigación ha resurgido en varios laboratorios gracias al reavivado interés en torno a la cuestión energética y el cambio climático, así como a la aparición de nuevas tecnologías.


1. Este pequeño reactor lleno de precursores químicos y agua se calienta en un horno para obtener nanocables de óxido de titanio.


2.
Los nanocables de silicona se obtienen a partir de precursores gaseosos que fluyen por este reactor.


3. Los nanocables de silicona también se pueden obtener en superficies más grandes, como esta oblea. Después se corta en trozos y estos funcionan como electrodos en el interior del dispositivo.


4. 
Las bacterias dentro de esta incubadora se implantarán en un electrodo para servir como catalizadores orgánicos.

El laboratorio de Yang está realizando mejoras a partir de un diseño básico que se desarrolló en la década de 1970 en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL). Este modelo consta de dos electrodos fotosensibles revestidos de un catalizador (Yang está utilizando el níquel, nada caro) que separan moléculas de agua para obtener hidrógeno y oxígeno. En la instalación original, los electrodos eran planos. Yang, sin embargo, utiliza matrices de nanocables de silicona y otros semiconductores. Como los nanocables tienen un área 100 veces mayor que la de los electrones planos que cabían en ese mismo espacio, permiten que también haya más catalizador, lo cual potencia enormemente la reacción.

Sin embargo, la separación de las moléculas de agua es la parte fácil de la fotosíntesis. Las plantas van más allá y utilizan el hidrógeno del agua en reacciones que transforman el dióxido de carbono del aire en moléculas complejas, y Yang desea hacer lo mismo. Después de todo, nuestros aviones y nuestros coches no funcionan con hidrógeno: necesitan gasolina y otros combustibles químicamente complejos.


5. Dentro de este dispositivo, la luz genera una reacción a partir de la cual el agua y el dióxido de carbono se transforman en combustible. El subproducto de la reacción, el oxígeno puro, puede salir gracias a los tubos.


6 y 7.
Algunas de las bacterias del sistema producen metano, que puede utilizarse directamente como combustible; otras producen acetato, que se añade a otras bacterias modificadas genéticamente para crear combustibles y plásticos. En este caso, E.coli modificada genéticamente a la que se añade acetato.

8. Se utilizan herramientas analíticas, incluidos los espectrómetros de masas, para comprobar que las bacterias han producido la sustancia química deseada. Hasta ahora, el sistema ha resultado tan eficiente como la fotosíntesis natural.

Para catalizar esa parte del proceso, Yang utiliza otra tecnología que tampoco existía en la década de 1970. Sus colegas y él han demostrado que las bacterias modificadas genéticamente que rodean los nanocables funcionan como "catalizadores orgánicos". Estas bacterias absorben el hidrógeno liberado por el agua y lo combinan con dióxido de carbono para crear metano y otros hidrocarburos que se necesitan para producir combustibles o plásticos. Los microorganismos hacen esto con enzimas naturales que llevan a cabo una serie de reacciones químicas que los investigadores todavía no han sido capaces de producir a partir de catalizadores sintéticos.

En la actualidad, el sistema de Yang iguala la eficiencia de la fotosíntesis, y almacena por debajo del 1% de la energía capturada a partir de la luz solar en forma de enlaces químicos. No está nada mal como prueba de concepto, pero será indispensable hacerlo más eficiente y por ende más rentable.  

Yang espera, llegado el momento, poder utilizar catalizadores sintéticos en lugar de bacterias, las cuales es difícil mantener con vida. No obstante, eliminar por completo los microorganismos podría no ser necesario, debido a la urgente necesidad de combustibles limpios que existe en la actualidad. "Si tenemos que adoptar un enfoque híbrido, lo haremos", dijo el científico.

Las imágenes de este artículo pertenecen a RC Rivera

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