«Hoja artificial» transforma la energía solar en combustible

Ahora almacenar la energía del Sol, sometida a los cambio de nubes y el paso de los días, está cada vez más cerca. Investigadores han optado por emular las plantas, expertas en almacenar la energía solar, y han creando un prototipo capaz de hacer fotosíntesis artificial.

José Ramón Galán Mascarós, científico del Instituto Catalán de Investigación Química (ICIQ), en Tarragona, que que capitanea A-Leaf, un grupo de centros de investigación dotados con 8 millones de euros por la Comisión Europea para desarrollar esta tecnología. explicó que es un proceso «simple»: Transforma dióxido de carbono y agua en combustible con la energía solar.

En su laboratorio del ICIQ se somete a las pruebas finales una de las «hojas artificiales» construidas para capturar la energía del Sol. La celda electroquímica, como se conoce técnicamente, es un dispositivo cilíndrico encerrado en un prisma translúcido. Varios tubos suministran reactivos a sus dos compartimentos separados por una membrana, el ánodo y el cátodo. Mientras que una pequeña celda fotovoltaica genera la diferencia de potencial entre los dos para producir las reacciones químicas.

El proceso de creación delcombustible

En el ánodo se oxidan moléculas de agua (H2O), liberando oxígeno gaseoso (O2). En el cátodo se produce la reducción de dióxido de carbono (CO2) para dar lugar a moléculas orgánicas que almacenan energía en sus enlaces químicos: la energía se puede liberar quemando este producto.

El prototipo que han construido genera ácido fórmico (H-COOH), un compuesto de poco interés comercial; pero los investigadores apuntan que es una prueba de concepto y que las celdas electroquímicas finales podrán producir otros combustibles.

Otras dos réplicas del prototipo se estudian en Mesina, Italia; y en Zúrich, Suiza. Pues el proyecto empezó en 2016 y ahora entra en su fase final: la integración de todos los componentes y el estudio de su eficiencia, su productividad y los costes que puede tener el proceso a escala industrial.

Actualmente, la hoja artificial almacena casi 10% de la energía lumínica que recibe, una eficiencia dos o tres veces mayor que la de una hoja vegetal.

Proceso artificial de fotosíntesis, producción de combustible

La forma más adecuada de utilizar esas celdas solares electroquímicas será la producción de combustible a pequeña escala, pero no necesariamente en grandes centrales eléctricas. La fotosíntesis artificial no elimina dióxido de carbono de la atmósfera, ya que produce combustibles que, al quemarse, liberan este gas de efecto invernadero.

Sin embargo, como es un proceso circular, tiene una huella de carbono casi nula. A diferencia de la quema de combustibles fósiles. Por otra parte, aunque el dióxido de carbono es el gas de efecto invernadero más importante por su abundancia, su concentración en la atmósfera es de 0,04%, mínima en comparación con la del nitrógeno (78%) o la del oxígeno (21%).

Por eso la fotosíntesis artificial tiene como objetivo a corto y medio plazo aprovechar el dióxido de carbono directamente en los lugares donde se produce. Principalmente donde haya chimeneas que concentran este gas, pues de acuerdo con Galán-Mascarós, la captura de CO₂ es un problema, sobre todo económico. La tecnología para absorber el gas es cara.

Más sistemas de fotosíntesis artificial

Este no es el primer sistema basado en la fotosíntesis para la producción de combustible. Investigadores de la Universidad de Harvard, en Estados Unidos, han concebido un sistema que utiliza una bacteria modificada a nivel genético para convertir la energía solar en combustible líquido.

De confirmarse su rentabilidad, es un enfoque que ayudaría a afrontar el desafío energético y a luchar contra el cambio climático. Y no es el primer paso que se da hacia el logro de la fotosíntesis artificial,  pues este mismo equipo ya había desarrollado una hoja biónica que convierte la energía solar en combustible líquido.

Esta vez los investigadores de Harvard, encabezados  por el químico Daniel Nocera, han utilizado la energía del Sol para obtener hidrógeno del agua, formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Con este hidrógeno, la bacteria modificada, de la especie Raistonia eutropha, es capaz de convertir el dióxido de carbono en un alcohol combustible, el isopropanol. Como es líquido, puede ser transportado mediante las infraestructuras actuales.

Daniel Nocera y el recorrido de un equipo inspirado en la fotosíntesis

Nocera lleva años trabajando en lo que podría llamarse una revolución energética planetaria. En el año 2009 fue considerado como una de las 100 personas más influyentes del mundo por la revista Time, una forma de reconocer sus avances en el desarrollo de combustibles inspirados en la fotosíntesis de las plantas.

«Las células fotovoltaicas tienen un considerable potencial para satisfacer las futuras necesidades de energía renovable, pero se necesitan métodos eficientes y escalables para almacenar la electricidad intermitente que producen y poder implantar la energía solar a gran escala». Es la explicación los autores en la revista científica PNAS. Su sistema podría ser ese almacén de energía solar.

Otros equipos de investigación también han llegado a métodos parecidos, pero han requerido del uso de metales preciosos, como el platino y el indio, para acelerar las reacciones químicas; lo que dispara los costes. Ante esto, el equipo de Nocera usa como catalizadores metales abundantes en la Tierra, como el cobalto. Ha logrado un rendimiento que triplica el de los mejores combustibles biolectroquímicos existentes. Algo que para los autores es una «importante prueba de concepto».

Nocera aclara que todavía no piensan utilizar este sistema en los coches, pues de momento es solo un descubrimiento científico. Ahora se enfocarán en mejorar las ineficiencias para que pueda ser comercial, aunque aseguró que es tan eficiente o más que la fotosíntesis natural, .

Sin interesados por ahora

Hasta ahora, ninguna empresa se ha interesado por el nuevo sistema. La multinacional estadounidense Lockheed Martin, un gigante de la industria aeroespacial y militar, adquirió uno de los anteriores productos del laboratorio de Nocera. Una especie de hoja artifical que utliza la energía solar para separar el hidrógeno y el oxígeno del agua.

El hidrógeno también se puede usar como combustible, aunque hay pocas infraestructuras para facilitar su uso. Hace dos años científicos de la Universidad de Exeter, en el Reino Unido, y de la petrolera Shell modificaron los genes de otra bacteria: la Escherichia coli. Lo hicieron para que fabricara diésel a partir de ácidos grasos.

El biocombustible prometedor también se enfrenta ahora a desafíos para su comercialización, como su abaratamiento: en 2013 producir un litro costaba varios miles de euros.

Una hoja biónica para fotosíntesis artificial

Daniel Nocera y Pamela Silver, profesora de Bioquímica y Biología de Sistemas, también de Harvard, crearon un sistema que utiliza energía solar para separar las moléculas de agua y las bacterias consumidoras de hidrógeno para producir combustibles líquidos. El trabajo, publicado en Science, se describe como «un verdadero sistema de fotosíntesis artificial» que apodaron «hoja biónica 2.0».

Aunque el estudio muestra que el sistema puede emplearse para generar combustibles utilizables, su potencial no termina allí. De acuerdo con Silver, se trata de una plataforma que puede hacer cualquier molécula basada en el carbono aguas abajo. Tiene el potencial de ser muy versátil.

El sistema que se basa en el trabajo previo de Nocera, Silver y otros científicos, que, a pesar de ser capaz de hacer isopropanol, se enfrentó a una serie de desafíos. El principal fue que el catalizador utilizado para producir hidrógeno, aleación de níquel, molibdeno y zinc, también creó especies reactivas del oxígeno, moléculas que atacaron y destruyeron el ADN de las bacterias.

Superando retos

Los investigadores se vieron obligados a ejecutar en el sistema a altos voltajes, lo que resulta en una menor eficiencia. Pero tuvieron que hacerlo para evitar el problema que se estaba dando con las especies reactivas del oxígeno.

De tal modo que diseñaron otro catalizador de aleación de cobalto-fósforo, que no generaba especies reactivas del oxígeno. Lo que permitió bajar el voltaje y aumentar la eficiencia. Ahora el sistema puede convertir la energía solar en biomasa con una eficiencia del 10%, muy por encima del 1% visto en las plantas de más rápido crecimiento. Además, el equipo de Nocera también fue capaz de ampliar la cartera del sistema para incluir isobutanol e isopentanol.

Los investigadores también usaron el sistema para crear PHB, un precursor de bioplástico. Un proceso demostrado por primera vez por Anthony Sinskey, profesor del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés), en Estados Unidos.

El nuevo catalizador también cuenta con otra ventaja: su diseño químico permite que se «autocure». Aunque puede haber espacio para aumentos adicionales en la eficiencia, Nocera cree que el sistema ya es lo suficientemente eficaz como para considerar sus posibles aplicaciones comerciales.

Lea también: