Fotosíntesis artificial para producir energía ecológica
Superando la naturaleza
La fotosíntesis artificial convierte la luz solar en combustible a una velocidad que podría alimentar eficientemente ubicaciones remotas.
Tras introducir un microprocesador de silicio del tamaño de un pulgar en un pequeño vaso lleno de agua, Daniel Nocera enciende una bombilla. Las burbujas fluyen del chip de manera instantánea.
Al apagar la luz, las burbujas se detienen. Esto es tan solo una simple demostración que, no obstante, podría prometer energía a los millones de personas que tienen un acceso limitado a ella, aquellas que viven en países subdesarrollados y ubicaciones remotas.
El chip es una hoja artificial. Nocera, catedrático de Energía Patterson Rockwood de la Universidad de Harvard, la ha desarrollado para imitar la fotosíntesis, un proceso químico de la naturaleza que convierte la energía solar en energía almacenada.
Pero más que imitar la naturaleza, la tecnología de Nocera la mejora. Si bien las plantas más eficientes pueden convertir alrededor del 1% de la luz solar en energía, las versiones hechas por el hombre podrían producir resultados al menos 10 veces mejores, aunque esta tecnología todavía está en sus comienzos.
Aún queda una labor considerable por realizar hasta que la tecnología pueda producir energía con utilidad comercial.
Tecnología de división
Las células fotovoltaicas tradicionales a base de silicio dependen del efecto fotoeléctrico, es decir, de la luz absorbida que propicia la liberación de electrones, para generar una corriente que pueda alimentar algo o cargar una batería.
El método de Nocera implica acelerar las reacciones químicas con un catalizador. En 2011, él y sus compañeros en el MIT desarrollaron una célula compuesta por un sándwich de silicio –con un catalizador de cobalto en la parte superior y una nueva aleación de níquel, molibdeno y zinc en la parte inferior– que era capaz de dividir el agua en sus elementos integrantes, hidrógeno y oxígeno. Por el momento, el grupo de Nocera ha conseguido una eficiencia de más del 10% en la transformación de la energía solar en hidrógeno. Espera que la eficacia alcance un máximo de entre el 15% y el 18%.
Aunque el hidrógeno en sí es un combustible, puede ser difícil de manejar. El siguiente logro de Nocera en biomimetismo, en colaboración con Pamela Silver, su colega de Harvard, fue combinar el hidrógeno con el dióxido de carbono del ambiente para generar combustible líquido utilizando lo que es efectivamente una 'hoja biónica'. "Las plantas toman hidrógeno en la oscuridad y lo combinan con dióxido de carbono para generar combustible en forma de azúcares", comenta. "Nos dimos cuenta de que se puede tomar el hidrógeno de las hojas artificiales y luego, empleando las herramientas de la biología sintética, modificar bacterias genéticamente (Ralstonia eutropha), para convertir el hidrógeno y el dióxido de carbono en combustible de hidrocarburo líquido, así como en precursores químicos para la producción de plásticos.
Por desgracia, la aleación de níquel en su célula envenenó en efecto las bacterias dañando su ADN. Pero se demostró que el problema fue fortuito. En 2017, Nocera presentó un sustituto, un nuevo catalizador basado en cobalto. Excepto que en este caso, en lugar de generar hidrocarburos, la célula solar convertía energía solar en biomasa, con una eficiencia 10 veces mayor que los cultivos de crecimiento rápido como la planta herbácea switch grass, y esa biomasa podría convertirse en combustibles como bioalcoholes e hidrocarburos en una etapa posterior.
Desafíos para la comercialización
Sin embargo, aún faltan años, o décadas, para que esta tecnología tenga aplicaciones comerciales. Hay numerosos obstáculos que deben superarse primero.
Los métodos actuales para generar hidrógeno a partir de una hoja artificial pueden costar probablemente 10 veces más que generarlo simplemente a partir de combustibles fósiles. Para reducir la enorme diferencia en los costes, los desarrolladores tecnológicos deben simplificar la construcción e instalación de sus sistemas y asegurarse de que pueden durar tanto como otras opciones solares, es decir, alrededor de 20 años, un logro que no siempre resulta fácil.
Por ejemplo, producir oxígeno a partir del agua acidifica la solución, lo que puede dañar los electrodos y catalizadores. Los materiales que pueden tolerar la acidez suelen ser caros. La solución de Nocera fue crear catalizadores que se autorreparan. Otra posible solución es un recubrimiento fino de capas de óxido conductoras, el ingrediente activo en los filtros solares, que puede proteger los electrodos y catalizadores, pero aún queda mucho trabajo por hacer en otros aspectos.
El precio de generar hidrógeno a partir de una hoja artificial y combustibles a partir de la hoja biónica podría no ser tan importante en lugares que carecen de una infraestructura energética convencional. En este tipo de lugares, no importa qué enfoque se adopte, el combustible será igualmente caro. En lugar de gastar en una fuente de energía contaminante como una planta de carbón, un país podría invertir en sistemas distribuidos alimentados por fotosíntesis artificial. Este es el motivo por el que los derechos de propiedad intelectual de la hoja biónica de Nocera fueron absorbidos por el Instituto de Tecnología Química en Bombay, ya que India sería un mercado ideal para esta tecnología.
Algún día, las hojas artificiales podrían ser la nueva ola de energía verde.
