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Energía

La fotosíntesis artificial vive una guerra entre la ciencia básica y la aplicada

Durante un lustro, el JPAC recibió millones para desarrollar un sistema comercial de biocombustibles basados en luz solar. Ahora su financiación ha sido renovada pero para investigación básica

  • por Richard Martin | traducido por Teresa Woods
  • 06 Julio, 2016

Crédito: Jon Han.

Cuando visité el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California (EEUU) en marzo, la directora adjunta del Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial (JPAC, por sus siglas en inglés), Frances Houle, presumió de uno de sus últimos avances. Es un dispositivo que descompone el agua en hidrógeno y oxígeno con luz solar. Hasta ahora, los investigadores del laboratorio lo habían conseguido con luz artificial, pero esa era la primera vez que lo lograban con luz natural. Amarrado a una delgada base metálica sobre el tejado del edificio del centro, en las colinas encima de la cuidad de Berkeley, con unas espectaculares vistas a la bahía de San Francisco (EEUU), el pequeño dispositivo tiene una célula solar que suministra la energía requerida para que un catalizador químico divida el agua. En la parte superior del dispositivo, se acumulaban burbujas de oxígeno puro.

Fundado en 2010 bajo el mandato del entonces secretario de Energía estadounidense, Steven Chu, el JCAP tiene un objetivo ambicioso: generar combustibles únicamente con luz solar, dióxido de carbono y agua (ver Una iniciativa de fotosíntesis artificial echa raíces). Si lo consigue de forma económicamente viable, sería un hito digno de Prometeo que representaría un enorme paso hacia la resolución de los dos retos que obstaculizan nuestra transición desde combustibles fósiles hacia energías renovables: el almacenaje de grandes cantidades de energía para su uso posterior, y lograr alimentar formas de transporte que no pueden ser fácilmente operadas con baterías.

El director fundador del centro, Nate Lewis, explica: "Todos los estudios de un sistema de energía limpia que yo he visto identifican las mismas dos carencias tecnológicas: el almacenaje energético masivo a escala de red para compensar la intermitencia de las energías eólicas y solares, y un combustible líquido rico en energía y neutro en carbono". Convertir la luz solar en combustible permitiría que la energía solar captada durante el día pueda ser almacenada, transportada y empleada cuando no brille el Sol. El mismo combustible podría reemplazar los combustibles fósiles que alimentan los aviones y barcos actuales. "No existen aviones y barcos eléctricos", añade Lewis.

Foto: Uno de los principales logros del JCAP han sido los dispositivos solares capaces de dividir el agua en hidrógeno y oxígeno – un importante primer paso del camino hacia la fotosíntesis artificial. Crédito: JCAP / Instituto de Tecnología de California.

Alojado dentro del Instituto de Tecnología de California (Caltech, EEUU), el JCAP fue fundado con unos 110 millones de euros en cinco años, y su financiación fue renovada (aunque con una cuantía menor) el año pasado. Ahora lo dirige el profesor de física aplicada de Caltech Harry Atwater, el JCAP ha hecho algunos avances impresionantes durante sus seis años de vida. Los científicos del JCAP han logrado desarrollar dispositivos como el que pude observar en persona: prototipos capaces de dividir el agua en hidrógeno y oxígeno de forma 10 veces más eficiente que la fotosíntesis. Representa un importante primer paso hacia la fotosíntesis artificial; el próximo paso consistiría en combinar el hidrógeno con dióxido de carbono para generar "combustibles solares" que puedan reemplazar los combustibles fósiles.

Pero durante el último año, el JCAP ha realizado un importante cambio de dirección. El Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE, por sus siglas en inglés) renovó su financiación el año pasado con menos de 14 millones de euros anuales, casi un 40% menos que la media anual del lustro anterior. Además, representantes del DOE instaron a los científicos a dejar de lado sus esfuerzos por desarrollar dispositivos que puedan ser comercializados durante los próximos años para, en lugar de ello, concentrarse en las investigaciones básicas sobre los complejos procesos subyacentes de la fotosíntesis artificial. El objetivo original del JCAP, según el anuncio de su creación en 2010, era de "desarrollar un sistema integrado de conversión de energía solar a combustible químico y hacer avanzar este sistema de la fase de descubrimiento de sobre mesa hasta una escala desde la que se pueda comercializar". Ahora su misión ya no traspasa la fase del descubrimiento.

"Durante sus primeros cinco años, el JCAP se centró principalmente en los combustibles de hidrógeno", explica el director de programa del JCAP dentro de la Oficina Científica del DOE, Christopher Fecko. Abordar el reto científico que dirige la fotosíntesis artificial completa requerirá, en su opinión, "investigaciones básicas, descubrimientos científicos y transformacionales que algún día habilitarán estas tecnologías, y estamos logrando unos progresos excelentes". Según Fecko, el futuro deparará el despliegue tecnológico y la producción comercial".

Pero "el futuro" podría suceder en cinco años o en varias décadas. El abandono del objetivo de desarrollar una solución funcional lo antes posible representa un reconocimiento de que el objetivo original del JCAP de la fotosíntesis artificial es mucho más complicado y está mucho más lejos de resolverse de lo que entendían los científicos en 2010. También representa una decisión táctica para no gastar dinero federal en el desarrollo de un dispositivo funcional que genere combustible de hidrógeno, aunque esa tecnología se encuentra mucho más cerca de la comercialización.

Chu recuerda: "Mi visión original era la de proporcionar mucha autonomía a los científicos y permitirles escoger la dirección que considerasen más prometedora para que pudieran realmente desarrollar algo". El responsable dejó el DOE en 2013 y ahora es profesor de física y fisiología física y molecular de la Universidad de Stanford (EEUU). A día de hoy afirma: "No creo que se les esté dando la libertad que yo imaginaba".

El primer paso de la fotosíntesis consiste en dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno entonces hace reacción con el dióxido de carbono para producir carbohidratos, que alimentan el crecimiento de las plantas. La fotosíntesis artificial busca emplear las mismas materias primas, la energía solar, el agua y el dióxido de carbono, para generar combustibles líquidos ricos en energía. Si esos combustibles se produjeran con dióxido de carbono del aire, el proceso sería neutro en carbono, por lo que no añadiría emisiones nuevas de gases de efecto invernadero a la atmósfera.

Foto: Alojado en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, el JCAP fue concebido como las incubadoras del estilo de Bell Labs para tecnologías que puedan ser rápidamente comercializadas. Crédito: Robert Paz.

Desde 2010, cuando el JCAP fue creado, las investigaciones sobre fotosíntesis artificial y combustibles solares han ganado impulso a nivel mundial. Existen consorcios nacionales de I+D que abordan el problema en Japón, Suecia y otros países. Y varias start-ups como Opus12, fundada por un trío de alumnos de postgrado de la Universidad de Stanford, (EEUU) y Liquid Light, liderada por el profesor de química de la Universidad de Princeton (EEUU) Andrew Bocarsly, intentan montar negocios en torno a la fotosíntesis artificial.

La pregunta es, ¿darán fruto a tiempo para ayudar a limitar el cambio climático global? Un problema es que lograr que los combustibles solares sean neutros en carbono depende de tecnologías e infraestructuras totalmente nuevas para capturar el carbono del aire o atrapar las emisiones de plantas con combustibles fósiles.

El otro problema es que convertir el dióxido de carbono para completar el proceso de la fotosíntesis es muy, muy complicado. Incluye seis pasos químicos distintos, y no existe ningún catalizador conocido que convierta el dióxido de carbono en combustible de forma eficiente y selectiva, como lo hay para la reacción de división del agua.

"El reto que el JCAP está abordando en su segundo ciclo de cinco años es más fundamental y difícil que el esfuerzo del combustible de hidrógeno, pero con unos increíbles beneficios en potencia", asegura Fecko.

Este cambio, el sucesor de Lewis como director del JCAP, Harry Atwater, afirma que "ha empujado al emprendimiento al completo no hacia actividades de prototipado y de escalado, sino hacia un enfoque mucho más centrado en las investigaciones básicas". Ese enfoque concuerda con los objetivos del programa de Ciencias Energéticas Básicas del DOE, que controla la financiación del JCAP. Pero no nos acercará, a corto plazo, al desarrollo de dispositivos ni a la generación de una industria en torno a los combustibles solares.

Por eso Lewis cree que el abandono del prototipado y escalado de los dispositivos que producen hidrógeno es un error. El propio hidrógeno es un producto final útil en sí mismo, sostiene. Puede ser quemado directamente dentro de los motores de combustión interna modificados. Puede ser convertido en un combustible sintético mediante el proceso Fischer-Tropsch. Puede ser empleado por las células de combustible para almacenar la energía y generar electricidad, dejando sólo agua tras sí como desecho.  Los prototipos divisores de agua desarrollados por el JCAP aún necesitarán mucho desarrollo para ser convertidos en dispositivos comerciales útiles. Pero Lewis cree poder llegar, y en un plazo relativamente corto: "Con menos de cinco millones de euros anuales, estoy bastante seguro de que podríamos llegar a lograrlo en cinco años, y es la primera vez que digo esto".

Foto: Los científicos Sonjia Francis (derecha) y  Dan Torelli (izquierda) del JCAP investigan la reducción electroquímica de dióxido de carbono para la generación de combustibles líquidos.  El JCAP ha desviado su enfoque de la comercialización de soluciones funcionales hacia las investigaciones básicas. Crédito: JCAP / Instituto de Tecnología de California.

Por ahora ese trabajo no será realizado por el JCAP. Lewis apoya las investigaciones continuadas sobre la fotosíntesis artificial a escala. Pero considera que el cambio de rumbo del JCAP representa el abandono de una prometedora tecnología de energía limpia, la división del agua para producir hidrógeno, que podría ser comercializada mucho antes. Las investigaciones básicas sobre la conversión del dióxido de carbono "es un enfoque y alcance muy estrechamente limitado", sugiere. "Los combustibles solares deberían ser mucho más amplios que escoger una manera determinada de llegar y definanciar las demás opciones".

Atwater y Fecko coinciden en que la invención de un dispositivo divisor del agua es un importante hito que otros laboratorios e investigadores podrán alcanzar.Atwater afirma: "Nuestro trabajo consiste en lograr avances de investigación que den lugar a opciones tecnológicas. Somos científicos, no podemos llevar la pelota hasta la línea de meta".

Pero llegar a la meta sí era el objetivo original definido por Chu cuando el centro fue fundado. De alguna manera, el JCAP es un caso de estudio de la promesa y los peligros de la financiación gubernamental a largo plazo de las tecnologías energéticas. Chu habla de manera triste del camino no escogido por el programa que creó en 2010. Las ciencias básicas son algo necesario y maravilloso, pero no son lo que él "tenía en mente", concluye,

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