¿Lograremos replicar la fotosíntesis de forma artificial, en qué punto se encuentra este campo de investigación?

El punto en el que se encuentra actualmente la investigación es en "todavía falta mucho para lograr que sea eficiente económicamente su implementación práctica". Dicho de otra manera, está en el circuito: universidad-prototipo-investigación-publicidad, y no se desarrolla industrialmente.

Espero ver algún día esa aplicación práctica. Además de ser una forma de generar energía bastante limpia, este proceso es una aplicación ingeniosa de la química al mundo de la energía, y eso lo hace más interesante aún.

Pero ¿qué es la fotosíntesis artificial?

En la fotosíntesis natural hay dos fases. En la primera, que obviamante depende de la luz, las plantas usan la luz del Sol para oxidar y romper las moléculas de agua, liberando protones y electrones; es una fotocatálisis. En la segunda fase, también llamada ciclo de Calvin-Benson, usan la energía de los electrones para convertir el dióxido de carbono en glucosa, usando una reacción de reducción; esta fase no depende de la luz .

La fotosíntesis artificial busca usar la luz solar para generar un combustible que pueda almacenarse y aprovecharse cuando no haya luz solar, mediante procesos directos, es decir, para producir un combustible solar. Comparte con la fotosíntesis natural la parte de romper la molécula de agua, también llamada fotocatálisis; pero el combustible que se desea generar no es glucosa, obviamente, porque se desea generar combustible para procesos industriales, aprovechando los protones (H+) generados por esta reacción, el oxígeno sería el subproducto de la misma. El combustible obtenido podría ser directamente ese hidrógeno, pero otras alternativas proponen conseguir alternativas que usen carbono para sustituir a los productos derivados del petróleo.

Se han propuesto métodos para obtener este combustible en una o dos fases. En los sistemas homogéneos las fases no están separadas, se produce H y O en el mismo compartimento; el problema es que la mezcla es altamente explosiva (y la naturaleza nos da una pista, las plantas no hacen eso, por algo será). El segundo método, por supuesto, separa ambos elementos usando dos electrodos, un ánodo y un cátodo. A pesar de ser más complejo es en este en el que se está invirtiendo más (económica y científicamente).

En este momento se está buscando lo siguiente:

• Catalizadores que faciliten la reacción de catálisis del agua
• Catalizadores que faciliten convertir el hidrógeno generado, y también el CO2 en combustibles eficientes energéticamente.
• Un método para combinar ambos procesos de forma eficiente y rentable. Por ejemplo, hay que encontrar la forma de proteger a los fotoelectrodos y catalizadores de la alcalinidad que se genera en la catálisis.

Esquema del proceso en una "hoja artificial", de Artificial photosynthesis by artificial leaf developed by IISc Scientists

En teoría la eficacia del proceso podría superar el 30%, algo notable comparado con el 1% que consiguen las plantas; sin embargo el gran problema es que hasta ahora los materiales más eficientes para lograr esto resultan ser también muy caros y raros (como el platino, nada menos que el platino). [1]

Obviamente se buscan diferentes materiales. Por ejemplo, usar catalizadores del tipo que se usan en las refinerías de petróleo para acelerar la semirreacción que produce hidrógeno. Funcionan bien…pero aún no se ha encontrado un catalizador igualmente económico para la semirreacción que produce oxígeno.

Otro avance es usar dióxido de titanio (TiO2) que logra proteger los fotoelectrodos y los catalizadores de la alcalinidad del proceso. El TiO2 es un componente importante de las cremas de protección solar, sí, pero también guarda otra curiosa relación con nuestro sistema solar…abunda en la Luna (ahí lo dejo para los que piensan que la Luna no tiene nada que ofrecernos).

En 2015, combinando ambas soluciones un equipo del Caltech liderado por Nate Lewis[2] logró una eficiencia del 10% durante varios días seguidos (la combinación de eficiencia y duración aventaja a otros métodos que usan materiales más caros).

"Hoja" artificial, Artificial leaf to produce natural fuel: 8 alternative fuel sources [In Pics]

Otro enfoque diferente es el que propone David Nocera[3] junto con su equipo de la universidad de Harvard. Nocera fracasó estrepitosamente en 2011 con una empresa de fotosíntesis artificial centrado en la obtención de hidrógeno (Aquion Energy[4], que obtuvo en su día una importante financiación de Bill Gates. El problema que la hundió fue el no saber cómo enfrentarse a los subproductos de la reacción de catálisis, recomiendo leer el artículo porque pone de manifiesto la distancia entre el conocimiento de un proceso y la forma de sacarle rendimiento tecnológico a escala industrial).

La idea actual de Nocera es saltarse el paso intermediario de la producción de hidrógeno, y utilizar la luz solar, el agua y el dióxido de carbono para producir hidrocarburos directamente. Si logra realizar esta maniobra de manera rentable y a escala, podría convertirse en el método más eficiente para almacenar la luz solar en los combustibles más versátiles conocidos por la humanidad. Su sistema se basa en un enorme cambio conceptual: en lugar de usar dispositivos artificiales para conquistar la fotosíntesis, ¿por qué no aprovechar la naturaleza? Nocera sabía que la naturaleza utiliza enzimas propias como catalizadores de la fotosíntesis para convertir la luz solar en azúcares complejos. Se dio cuenta de que las bacterias modificadas genéticamente podrían hacer lo mismo si se las equipa con un arsenal de potentes enzimas.

En 2016, Nocera y sus compañeros publicaron un estudio en la revista Science donde anunciaban, de forma triunfante, un nuevo catalizador hecho con una aleación de cobalto y fósforo. Esta mezcla no solo dejaba intacta a la bacteria, también se autoensamblaba a partir de la solución, imitando al catalizador de autorreparación de la naturaleza. Con la bacteria y el catalizador en armonía, el dispositivo de Nocera era capaz de convertir la luz solar en combustibles alcohólicos con una eficiencia del 10 %.

La idea de Nocera, muy atractiva, también cuenta con importantes incovenientes. Las bacterias son muy costosas de conseguir por ingeniería genética y también son muy delicadas, sensibles a las condiciones ambientales a las que se las somete.

¿Y en Europa?, también estamos intentándolo. El consorcio sueco para la fotosíntesis artificial, con una fuerte inversión de la Unión Europea[5], apuesta por un enfoque parecido al de Harvard, obtener metanol usando cianobacterias.

Así que ¿qué tan cerca estamos? lo cerca que se puede estar de conseguir "domar" tecnológicamente estos procesos, es decir salvar la distancia entre la teoría y una aplicación práctica eficiente. Ojalá, sinceramente, lo veamos pronto.

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