Es el mayor reto de la química, inventar sistemas que conviertan el agua y el sol en energía limpia, de manera eficiente y barata para todos.
Si miramos una planta al sol, es difícil no sentir un poco de envidia. Ahí están, día tras día, extrayendo grandes cantidades de combustible a partir de la luz solar, al tiempo que expelen el nada cuestionable oxígeno que necesitamos para respirar. Nuestra hazañas en la toma de combustible son ruinosamente costosas, y perjudiciales en comparación: extraer el carbón, petróleo o el gas del suelo y quemarlo produce mucho más dióxido de carbono planetario del que cualquiera pueda utilizar.
Lo que uno daría por imitar la técnica de las plantas, esos auténticos guerreros verdes. «Desde el sol llega a la Tierra más energía en una hora del que la humanidad al completo utiliza en un año entero», comenta Nate Lewis, un químico en el Instituto de Tecnología de California, en Pasadena. Sabemos cómo convertir esa energía en electricidad, es lo que hacen las células fotovoltaicas, pero el sol no siempre brilla cuándo y dónde nosotros queremos. A través de la fotosíntesis, las plantas tienen la envidiable capacidad de convertir la luz solar en combustible, almacenarlo en el momento y quemarlo más tarde. Si pudiéramos hacer lo mismo, guardar la energía solar para un día lluvioso, transportarlo a climas más plomizos o bombearlo en directamente a un tanque de combustible, una gran parte de nuestros problemas con la energía se resolverían.
Ahora, los megadólares están fluyendo desde el gobierno de EE.UU. y las grandes corporaciones energéticas para intentar hacer que eso suceda. El reto de la fotosíntesis artificial es el objetivo, pero está demostrando ser uno de los mayores desafíos de todos.
Nadie dijo que la fotosíntesis fuese fácil. A las plantas les ha llevado millones de años de evolución, y hasta ahora no son especialmente buenas en ello. La fotosíntesis lo es todo acerca del uso de la energía del sol y cómo dividir el agua en sus componentes hidrógeno y oxígeno, y reorganizarlos en moléculas químicamente más energéticas, en el caso de las plantas, con los carbohidratos hechos con la ayuda del dióxido de carbono atmosférico. No obstante, una planta de cultivo estándar, almacena sólo un pequeño porcentaje de la energía solar disponible en hidratos de carbono. Si el sol brilla muy intensamente su maquinaria se siente saturada, se viene abajo la producción después de una media hora. Los complejos catalizadores naturales que ayudan en este proceso se degradan rápidamente y constantemente deben ser renovados.
Los hidratos de carbono no son los mejores combustibles de almacenamiento para nuestro propósito. Se necesita algo más puro, de combustión más limpia y con una mayor densidad de energía. El hidrógeno es una opción clara. Es capaz de empaquetar gran cantidad de golpe, almacenando dos veces y media más energía por kilogramo que la gasolina convencional. Pongámoslo en una célula de combustible y podrá generar electricidad bajo demanda al combinarlo con el oxígeno, con un producto secundario de agua limpia y potable.
Todo esto significa que la fotosíntesis artificial no trata sólo de imitar la fotosíntesis, sino de alguna manera mejorarlo. «Suena muy simple: no es más que dividir el agua», dice Daniel Gamelin, químico de la Universidad de Washington, en Seattle. El diablo, sin embargo, está en los detalles. En primer lugar debe construir una «antena» similar a una célula fotovoltaica convencional para absorber la luz y utilizar su energía para liberar electrones. Entonces viene la química: los electrones deben ser guiado por los catalizadores en una compleja danza para reaccionar con las moléculas adecuadas capaces de producir los combustibles que queremos.
En 1998, John Turner, en colaboración con su colega Oscar Khaselev, del Laboratorio Nacional de Energías Renovables de EE.UU. en Golden, Colorado, asentó el estándar. «Estaba caminando un día por el pasillo y vi un cartel sobre la fotosíntesis artificial, y me surgió la idea, yo puedo ayudar con eso», recordó. Después de un año de juguetear con el asunto, incluyendo los paneles solares del Mars rovers de la NASA, consiguió su equipo: un chip semiconductor de unos pocos milímetros que se asentaba en un vaso de ácido diluido de batería con catalizadores de platino. A la luz del sol, el gas hidrógeno comenzó a burbujear alegremente fuera de la superficie del chip llevándose un total del 12 por ciento de la energía de la luz solar entrante (Science, vol 280, p 425).
Pero existían algunos inconvenientes. El hidrógeno burbujeó hacia fuera junto con el oxígeno, en una mezcla potencialmente explosiva. El dispositivo se corroyó después de unas 20 horas, ya que sus partes se oxidaban y quedaban marcados; un sistema más suave se habría alimentado del agua, no del ácido de la batería. Y no era barato: de uno a dos dólares por centímetro cuadrado, Turner reconoce que salía unas 10 veces más caro producir un hidrógeno asequible.
Problemas similares han afectado a todos los sistemas fotosintéticos artificiales desde entonces. «Tenemos un taburete con tres patas: un sistema debe ser eficaz, barato, y ha de ser sólido», apunta Gamelin. Tener los tres a la vez es el problema, dice Lewis. «Elige cualquiera de dos criterios y es posible».
El nuevo objetivo es conseguir esa tercera pata. En 2010, Lewis fue contratado para dirigir el nuevo Joint Center for Artificial Photosynthesis con sede en California, con el apoyo de $122 millones de fondos del Departamento de Energía. Ese mismo año, Sun Catalytix, una empresa que nace del trabajo del químico Dan Nocera sobre la fotosíntesis artificial, en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, recaudó $9,5 millones de fondos incluyendo el conglomerado indio Tata. Y así también otros grupos de investigación, como los de Turner y Gamelin.
Bestias meticulosas
La primera tarea importante es encontrar el mejor material para la antena. El silicio es relativamente barato y abundante, y absorbe una buena parte de los fotones de alta energía de los rayos solares, por lo que es el estándar para las células solares convencionales. Aunque escupe electrones con una energía de 1,1 electronvoltios. Dividir el agua le lleva un mínimo de 1,23 electronvoltios, y en la práctica necesita más para iniciar la marcha de la reacción.
Una forma de compensar la diferencia es apilar capas de silicio. Algo así como conectar baterías en serie, esto ofrece electrones que aumentan el voltaje. Lo último del sistema Sun Catalytix usa el silicio de «triple empalme», que funciona, aunque viene a ser unas tres veces el coste del material de los paneles solares. El silicio también reacciona con el oxígeno para crear una capa aislante de sílice, que detiene los electrones que alcanzan la superficie de la antena, donde pueden ser de utilidad. Este recubrimiento del silicio con un antioxidante puede añadir costes y reducir la eficiencia. El dispositivo de referencia de Turner, utiliza pilas de arseniuro de galio y semiconductores de fosfuro de galio e indio, que absorben la energía de diferentes longitudes de onda de la luz, multiplica el voltaje producido, pero también sufre de oxidación.
Una solución podría ser la utilización de semiconductores de óxido metálico. Por su propia naturaleza estos no se oxidan más, lo cual les hace extremadamente resistentes, y a menudo son baratos. Pero hay miles de millones de combinaciones de metales diferentes que pueden crear óxidos, y encontrar uno con las propiedades adecuadas, que absorba el espectro correcto de la luz y suelte suficientes electrones con la energía adecuada, no es tan fácil. «Los óxidos son bestias muy meticulosas», resalta Turner. Su equipo está modelando el comportamiento probable de los diferentes óxidos y ya han dado con algunos buenos candidatos, a pesar de que todavía tienen que crearlos. Tampoco está muy claro qué dichos resultados se traduzcan en una realidad, ya que los modelos no manejan las complicaciones que pueden surgir, como las estructuras cristalinas imperfectas que son tan usuales en los materiales más baratos.
Lewis y su equipo, entretanto, planean simplemente hacer todo el óxido posible e ir testeándolo. «El está con esas cosas en la sala de mezcla», señala Turner. Para ayudar a descomponer toda esa jungla, el ex supervisor de Lewis, Harry Gray, ha reclutado un ejército de estudiantes de secundaria para crear y probar sus propios óxidos. Ellos mezclan las combinaciones de diferentes metales en distintas proporciones, en un banco de luces LED se queman y se mide el voltaje y la corriente producida. El equipo de Gray revisa las muestras que parecen prometedoras, para determinar las cantidades exactas de ingredientes y la estructura del material. «Hemos recibido cientos de posibles candidatos, y entre ellos, unos 20 que son muy buenos.»
Pero una buena antena es, a lo sumo, sólo una parte del problema. El baño de luz solar, crea electrones y «agujeros» de carga positiva ausentes de electrones. Abandonados a sí mismos, los electrones podrían volver a caer en los agujeros y el resultado no sería nada útil. Al separar el agua, el dispositivo necesita para alinear cuatro agujeros en un extremo para absorber electrones de las moléculas de agua, produciendo oxígeno molecular y protones libres. En el otro extremo, los dos electrones de la antena se combinan con esos protones liberados para formar hidrógeno molecular (ver diagrama). Los catalizadores pueden facilitar estos procesos, la reducción de la energía necesaria para conseguir que vayan y actúen como áreas de estacionamiento para los electrones y los agujeros. En general, son necesarios dos catalizadores distintos, una para el hidrógeno y otro para el oxígeno. La fabricación de catalizadores eficientes, al menor costo posible, es otra parte importante del desafío.
El platino, utilizado por Turner para ambos catalizadores, funciona bien, pero cuesta casi lo mismo que el oro, por lo que al taburete de tres patas que aún falta una pata. La naturaleza tiene sus propias soluciones imperfectas. Para que el hidrógeno, las plantas usan enzimas hidrogenasa, que contienen un par de átomos de hierro para mezclar los electrones. Las ramas de proteínas alrededor de los átomos ayudan en el proceso de hacer malabares con los protones. El año pasado, Monte Helm y sus colegas, del Laboratorio Nacional Pacific Northwest en Richland, Washington, mostró que un catalizador similar con dos átomos de níquel, un elemento abundante y barato, funciona mucho más rápido que la versión natural (Science, vol 333, p 863), aunque aún no se ha probado en un sistema fotosintético. Los compuestos más simples, como el sulfuro de molibdeno, también puede funcionar. «No llegaría a tanto como decir que cualquier puede tener un catalizador de hidrógeno perfecto, pero hay una gran variedad de buenas opciones», señala Gamelin.
El catalizador que produce oxígeno es más complicado. Las plantas utilizan proteínas con cuatro átomos de manganeso, uno para cada agujero implicado en la división del agua. Sin embargo, esta proteína se degrada rápidamente y no es necesariamente más rápida. En el laboratorio, hay mejores opciones. El superior de verdad, altamente eficiente, es el óxido de iridio, pero es enormemente caro. Las alternativas basadas en manganeso y el cobalto se están estudiando, pero ninguno cumple todavía todos los requisitos.
Y esto nos lleva a la parte realmente difícil del proceso. Una antena perfecta y unos catalizadores perfectos no son suficientes, dice Lewis. «Todas las partes tienen que trabajar en conjunto y al unísono.» Muchos catalizadores sólo funcionan en determinados rangos de pH, por lo que, simplemente, no puedes ser emparejados. Tales cosas tan remilgadas, como las nanoestructuras de la antena y los catalizadores, pueden afectar seriamente la eficiencia global. El equipo de Gamelin, por ejemplo, está tratando de optimizar las cosas por capas de cobalto-fosfato en el catalizador productor de oxígeno, justo en la partes de envío del agujero de una antena de gran área superficial. «Hay un poco de duende en este proceso.»
Cubos de sol
Entonces, ¿cómo estamos de cerca de hacer de este duende algo viable, o sea, un sistema realista de fotosíntesis artificial? Aunque no haya habido ningún momento eureka, sí que ha habido algunos avances prometedores. El año pasado, el equipo de Sun Catalytix anunció una red inalámbrica de «lámina artificial» que funciona, no en el ácido de batería, como hizoTurner, sino en el agua del río Charles de Boston. Usa unos catalizadores que son relativamente eficiente y baratos, una mezcla de níquel, molibdeno y zinc para producir hidrógeno, y el cobalto-borato para escupir el oxígeno (Science, vol 334, pág 645).
Pero sigue siendo un taburete al que le faltan patas. La eficiencia del dispositivo es de un 2,5 por ciento, significativamente menor que el sistema de Turner de hace más de una década, y sus componentes se degradan después de una semana. La antena, hecho de un triple empalme de silicio, es caro. El hidrógeno se sale a $6 ó $7 por kg., según Tom Jarvi, director de tecnología de la empresa. Por el momento, crear hidrógeno por re-formación del metano cuesta alrededor de $2,50 por kilo.
Por supuesto, la empresa no está a punto de revelar sus ideas al respecto, pero el objetivo general es disponer de un sistema dentro de los 10 años, que pueda escupir el hidrógeno al menos a 3 dólares por kg. con un 5 por ciento de eficiencia, con el énfasis en un bajo coste y al precio de una menor eficiencia. El objetivo final es producir en masa partículas fotosintéticas de la clase que puedan ser lanzadas en un cubo de agua sucia y producir combustible en serie. «Se puede reducir semiconductores hasta la nanoescala y dispersarlos en el agua. Es el mejor camino para un bajo costo», señala Mike Decelle, CEO de Sun Catalytix. También podría significar una revolución energética en algunas partes del mundo, lejos de las redes eléctricas, y donde la luz solar es abundante, pero a menudo el acceso al agua potable es un problema. Si el combustible está disponibles con sólo poner un balde de agua salobre al sol y verter dentro algunas motas de polvo metálico, eso podría significar el fin de las lámparas de parafina y los sucios y caros generadores diésel cascarrabias, de los que millones de personas dependen para mantener las luces encendidas y poder acceder a otros servicios esenciales.
«En definitiva, es una idea genial», dice Gamelin, por lo que Sun Catalytix ha demostrado hasta ahora. Aun así, las conjeturas de Turner deberán esperar por lo menos 15 años antes de que algo comercial llegue a los estantes de cualquier laboratorio. Lewis promete prototipos de trabajo dentro de un par de años, pero admite que los primeros no serán baratos. Más allá de eso, está pensando un momento futuro en que los sistemas no se limiten a producir hidrógeno, sino que, con un un poco más de química se llegue a hacer más fácil el transporte de combustible, como el etanol, posiblemente también tirando del dióxido de carbono del aire para su producción.
Eso sigue estando a distancia. Por el momento, dice Lewis, «somos como los hermanos Wright. Nuestro trabajo es ensayar, fallar con frecuencia y seguir adelante». Lo que determinará nuestro éxito o fracaso vendrá determinado cuando consigamos hacer combustible cuando el sol brilla.
– Referencia: NewScientist.com, 16 abril 2012, por Nicola Jones
– Título original: «New leaf: The promise of artificial photosynthesis»
– Imagen e ilustración de New Scientist.
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