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05 febrero 2020

En busca de la fotosíntesis artificial, el Santo Grial de la sostenibilidad

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«Aunque el ingenio humano pueda crear invenciones varias —que, con la ayuda de varias máquinas, puedan responder al mismo fin— nunca producirá ninguna invención más bella, ni más simple, ni más apropiada que las que hace la Naturaleza; porque en sus invenciones nada falta, ni nada es superfluo»

Cita de Los cuadernos de Leonardo da Vinci

Imitar la naturaleza fue siempre la meta de Leonardo da Vinci, y lo que le llevó a soñar con alguna de sus más fabulosas máquinas. Siguiendo su ejemplo, ya en el siglo XX, la tecnología humana logró por fin imitar el vuelo de las aves para producir los primeros aviones, o la estructura de unas pegajosas semillas para inventar el velcro. Pero lo que aún no hemos conseguido replicar es el funcionamiento de algo que parece tan básico como una hoja de una planta. Lograr esa fotosíntesis artificial es el Santo Grial de la sostenibilidad. Y aunque aún restan importantes obstáculos, en la última década se han producido avances cruciales.

En 2019, químicos de la Universidad de Illinois (EEUU) presentaron su nuevo método de fotosíntesis artificial, capaz de producir combustibles (como el propano y el metano) partiendo de recursos sostenibles: “Los científicos solemos fijarnos en las plantas para desarrollar métodos que conviertan la luz del sol, el agua y el dióxido de carbono (CO2) en combustibles”, afirma Prashant Jain, uno de los autores del estudio, que publicó Nature Communications. En este caso, ellos han usado nanopartículas de oro como sustitutos de la clorofila —que actúa como catalizador en la fotosíntesis natural: se encarga de captar la energía del sol y transferirla a las moléculas de agua y CO2, para que reaccionen entre sí y produzcan el combustible básico de las plantas (azúcares).

El secreto mejor guardado de las plantas

La idea no es nueva, tiene ya más de un siglo. Fue en 1912 cuando el químico italiano Giacomo Ciamician se preguntó en la revista Science si podríamos usar “el secreto mejor guardado de las plantas” para captar la energía solar (usando dispositivos fotoquímicos) en lugar de quemar carbón y petróleo para producir energía. En su visionario artículo, Ciamician imaginaba colonias industriales sin humos y granjas de energía en forma de llanuras cubiertas de tubos de vidrio. Insistía en la necesidad de buscar alternativas a los combustibles fósiles: “Así, si en un futuro lejano se agotase el carbón, la civilización continuaría mientras el sol brillase”.

Foto aérea del sistema solar de generación de energía eléctrica Ivanpah, tomada en 2015. Crédito: Cliff Ho./ U.S. Department of Energy

Viendo ahora campos cubiertos de placas solares, podríamos pensar que el sueño futurista de Giacomo Ciamician se ha hecho ya realidad, en apenas un siglo. La energía solar está en plena expansión. Cuando el 2014 se abrió el gigantesco parque de Ivanpah, en el desierto de Mojave (California, EEUU), se convirtió en el mayor del mundo. “Tiene la capacidad de generar 392 megavatios de energía limpia, suficiente para abastecer a 94.400 hogares estadounidenses medios”, sostiene el Departamento de Energía de EEUU. Y teniendo en cuenta todos los costes de producción, los nuevos parques solares a gran escala son la forma más barata de producir energía (junto con la eólica), mucho más barata que las centrales térmicas y nucleares, según el informe anual Lazard de 2019.

El coste de la energía solar se ha divido por diez en la última década, señala el informe Lazard. Y a nivel técnico, en 2016 un grupo de la Universidad de Nueva Gales del Sur (Australia) logró batir el récord de eficiencia de una célula fotovoltaica: el 34% de la energía solar recibida fue convertida en electricidad. Fuera del laboratorio, en las placas solares que se usan comercialmente, la conversión ronda el 20%. Y en la naturaleza, la mayoría de las plantas no pasa del 1% de eficiencia en la conversión energética.

La era de los combustibles solares

Sin embargo, la energía solar convencional está aún lejos de lograr imitar a las plantas. Todavía no somos capaces de almacenar —de una manera eficiente y durante meses— la enorme cantidad de energía de los parques solares, que no la producen cuando la necesitamos, sino cuando hace sol. “En el mundo de energía sostenible hacia el que nos dirigimos, vamos a tener un problema serio de almacenamiento. Las baterías serán parte de la solución, pero imagínate que vives en Noruega o Suecia, donde en verano hay diez veces más luz solar que en invierno. No puedes almacenar energía durante seis meses en una batería”, afirmó recientemente a la revista New Scientist el investigador Harry Atwater, que dirige el Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP), un centro común de las principales universidades de California, fundado en 2010 para lograr la fotosíntesis artificial —y así producir combustibles solares, con los que solucionar el problema del almacenamiento.

La idea es imitar doblemente a la naturaleza. Por un lado están los combustibles fósiles, como el petróleo y el carbón, que han almacenado energía solar durante millones de años. “Los usamos porque contienen una densidad de energía asombrosa y son fáciles de guardar y transportar. Las sustancias químicas son la forma más avanzada de almacenar energía”, recuerda Atwater. Por otro lado, las plantas sí que son tremendamente eficientes almacenando la energía solar, que guardan en los azúcares que produce la fotosíntesis.

Unos de los grandes hitos en esta carrera por replicar la fotosíntesis fueron las hojas artificiales que presentó en 2011 un equipo de la Universidad de Harvard, liderado por David Nocera. Son unas finas láminas de silicio, en las que la fotosíntesis artificial usa la energía solar para romper moléculas de agua, produciendo oxígeno e hidrógeno. El hidrógeno es el combustible más simple posible, y puede almacenarse en las llamadas pilas de combustible, que ya son el corazón de una nueva generación de vehículos eléctricos.

De las pilas de hidrógeno a la fotosíntesis semi-artificial

Pero de momento el hidrógeno no ha logrado ser la solución total para reemplazar la gasolina y el diésel. Nuestra infraestructura de transportes funciona con combustibles como estos, que son hidrocarburos líquidos, y el hidrógeno es un gas que no encaja en ese modelo: habría que cambiar todos los coches y estaciones de servicio. Además, es complicado producirlo y usarlo a gran escala. Todos esos procesos requieren el uso de catalizadores fabricados con metales demasiado caros y escasos, como el platino.

Los catalizadores también son ahora la clave en la carrera por la fotosíntesis artificial. Están en el centro de todos los más recientes (y pequeños) avances que se presentan constantemente —algunos de ellos se anuncian como si estuviéramos cerca de la meta. Pero no es cierto, son solo demostraciones de laboratorio, que no se pueden trasladar a un sistema comercial y viable a gran escala. En el JCAP de California, uno de los centros que lidera la investigación mundial en este campo, el equipo de Harry Atwater trabaja en la forma más ambiciosa de fotosíntesis artificial: producir hidrocarburos utilizando el exceso de CO2 que flota en la atmósfera, y que agudiza el efecto invernadero.

Eso sí que sería cuadrar el círculo de la sostenibilidad. Aunque no parezca ideal seguir quemando combustibles, las emisiones se compensan, porque estos combustibles son generados a partir del CO2 de la atmósfera. De momento, en el laboratorio de Atwater han logrado convertir ese CO2 en una mezcla de etanol (combustible), etileno (usado para fabricar plásticos) e hidrógeno, pero en un proceso aún poco eficiente. Mejorarlo depende de lograr nuevos catalizadores, que repliquen el papel de la clorofila en la fotosíntesis natural. Algunos grupos de investigación buscan esa revolución usando enzimas naturales como catalizadores; otros emplean microbios para optimizar el proceso. Son las dos vías para lograr la fotosíntesis híbrida, semi-artificial, una alternativa creativa para llegar a la meta por otro camino diferente al de los catalizadores metálicos tradicionales. Y en ambos casos, de nuevo, la idea es volver a copiar a la naturaleza.

Francisco Doménech

@fucolin

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