Fotosíntesis: mecanismo fundamental para la vida en este planeta, flagelo de los estudiantes de biología de GCSE y ahora una forma potencial de luchar contra el cambio climático. Los científicos están trabajando arduamente para desarrollar un método artificial que imite cómo las plantas usan la luz solar para transformar el CO2 y el agua en algo que podamos usar como combustible. Si funciona, será un escenario beneficioso para nosotros: no solo nos beneficiaremos de la energía renovable producida de esta manera, sino que también podría convertirse en una forma importante de reducir los niveles de CO2 en la atmósfera.
Sin embargo, las plantas tardaron miles de millones de años en desarrollar la fotosíntesis, y no siempre es una tarea fácil replicar lo que sucede en la naturaleza. Por el momento, los pasos básicos de la fotosíntesis artificial funcionan, pero no de manera muy eficiente. La buena noticia es que la investigación en este campo se está acelerando y hay grupos en todo el mundo que están dando pasos para aprovechar este proceso integral.
Fotosíntesis de dos pasos
La fotosíntesis no se trata solo de capturar la luz solar. Un lagarto que se baña en el cálido sol puede hacer eso. La fotosíntesis evolucionó en las plantas como una forma de capturar y almacenar esta energía (el bit de "foto") y convertirla en carbohidratos (el bit de "síntesis"). Las plantas utilizan una serie de proteínas y enzimas alimentadas por la luz solar para liberar electrones, que a su vez se utilizan para convertir el CO2 en carbohidratos complejos. Básicamente, la fotosíntesis artificial sigue los mismos pasos.
“En la fotosíntesis natural, que es parte del ciclo del carbono natural, tenemos luz, CO2 y agua entrando en la planta y la planta produce azúcar”, explica Phil De Luna, candidato a doctorado que trabaja en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Toronto. “En la fotosíntesis artificial, utilizamos dispositivos y materiales inorgánicos. La parte real de la captación solar se realiza mediante células solares y la parte de conversión de energía se realiza mediante reacciones electroquímicas [en presencia de] catalizadores ".
Lo que realmente atrae con este proceso es la capacidad de producir combustible para el almacenamiento de energía a largo plazo. Esto es mucho más de lo que pueden hacer las fuentes de energía renovables actuales, incluso con la tecnología de baterías emergente. Si no sale el sol o si no hace viento, por ejemplo, los paneles solares y los parques eólicos simplemente dejan de producir. “Para el almacenamiento estacional prolongado y el almacenamiento en combustibles complejos, necesitamos una mejor solución”, dice De Luna. "Las baterías son excelentes para el día a día, para teléfonos e incluso para automóviles, pero nunca vamos a hacer funcionar un [Boeing] 747 con batería".
Desafíos a resolver
Cuando se trata de crear células solares, el primer paso en el proceso de fotosíntesis artificial, ya contamos con la tecnología: sistemas de energía solar. Sin embargo, los paneles fotovoltaicos actuales, que suelen ser sistemas basados en semiconductores, son relativamente caros e ineficientes en comparación con la naturaleza. Se necesita una nueva tecnología; uno que desperdicia mucha menos energía.
Gary Hastings y su equipo de la Universidad Estatal de Georgia, Atlanta, pueden haber tropezado con un punto de partida al observar el proceso original en las plantas. En la fotosíntesis, el punto crucial consiste en mover electrones a una cierta distancia en la célula. En términos muy simples, es este movimiento causado por la luz solar que luego se convierte en energía. Hastings demostró que el proceso es de naturaleza muy eficiente porque estos electrones no pueden volver a su posición original: "Si el electrón vuelve al lugar de donde vino, entonces se pierde la energía solar". Si bien esta posibilidad es poco común en las plantas, ocurre con bastante frecuencia en los paneles solares, lo que explica por qué son menos eficientes que los reales.
Hastings cree que esta "investigación probablemente hará avanzar las tecnologías de células solares relacionadas con la producción de químicos o combustibles", pero se apresura a señalar que esto es solo una idea en este momento y es poco probable que este avance ocurra pronto. "En cuanto a la fabricación de una tecnología de células solares totalmente artificial que se ha diseñado en base a estas ideas, creo que la tecnología está más lejos en el futuro, probablemente no dentro de los próximos cinco años, incluso para un prototipo".
Un problema que los investigadores creen que estamos cerca de resolver tiene que ver con el segundo paso del proceso: convertir el CO2 en combustible. Como esta molécula es muy estable y se necesita una cantidad increíble de energía para romperla, el sistema artificial utiliza catalizadores para reducir la energía requerida y ayudar a acelerar la reacción. Sin embargo, este enfoque trae su propio conjunto de problemas. Ha habido muchos intentos en los últimos diez años, con catalizadores hechos de manganeso, titanio y cobalto, pero el uso prolongado ha demostrado ser un problema. La teoría puede parecer buena, pero dejan de funcionar después de unas horas, se vuelven inestables, lentas o desencadenan otras reacciones químicas que pueden dañar la célula.
Pero una colaboración entre investigadores canadienses y chinos parece haber ganado el premio gordo. Encontraron una manera de combinar níquel, hierro, cobalto y fósforo para trabajar en un pH neutro, lo que facilita considerablemente el funcionamiento del sistema. “Dado que nuestro catalizador puede funcionar bien en un electrolito de pH neutro, que es necesario para la reducción de CO2, podemos ejecutar la electrólisis de la reducción de CO2 en un sistema sin membrana y, por lo tanto, se puede disminuir el voltaje”, dice Bo Zhang, de el Departamento de Ciencia Macromolecular de la Universidad de Fudan, China. Con una impresionante conversión de energía eléctrica a química del 64%, el equipo ahora posee el récord con la mayor eficiencia para los sistemas de fotosíntesis artificial.
"El mayor problema con lo que tenemos ahora es la escala"
Por sus esfuerzos, el equipo llegó a las semifinales en el NRG COSIA Carbon XPRIZE, que podría hacerles ganar $ 20 millones por su investigación. El objetivo es “desarrollar tecnologías innovadoras que conviertan las emisiones de CO2 de las plantas de energía y las instalaciones industriales en productos valiosos” y con sus sistemas de fotosíntesis artificial mejorados, tienen una buena oportunidad.
El próximo desafío es escalar. “El mayor problema con lo que tenemos ahora es la escala. Cuando escalamos, terminamos perdiendo eficiencia ”, dice De Luna, quien también participó en el estudio de Zhang. Afortunadamente, los investigadores no han agotado su lista de mejoras y ahora están tratando de hacer que los catalizadores sean más eficientes a través de diferentes composiciones y configuraciones.
Ganar en dos frentes
Ciertamente, todavía hay margen de mejora tanto a corto como a largo plazo, pero muchos sienten que la fotosíntesis artificial tiene el potencial de convertirse en una herramienta importante como tecnología limpia y sostenible para el futuro.
“Es increíblemente emocionante porque el campo se mueve muy rápido. En términos de comercialización, estamos en el punto de inflexión ”, dice De Luna, y agrega que, si funciona,“ dependerá de muchos factores, que incluyen la política pública y la adopción por parte de la industria para aceptar la tecnología de energía renovable. . "
Entonces, hacer la ciencia correcta es solo el primer paso. A raíz de la investigación de empresas como Hastings y Zhang, vendrá el paso crucial para incorporar la fotosíntesis artificial en nuestra estrategia global en torno a las energías renovables. Las apuestas son altas. Si sale adelante, podemos ganar en dos frentes: no solo en la producción de combustibles y productos químicos, sino también en la reducción de nuestra huella de carbono en el proceso.