La mayor parte de la energía que impulsa nuestras vidas proviene de las plantas. Ya sea un combustible fósil formado hace cientos de millones de años o los alimentos que consumimos, toda energía basada en el carbono tiene su origen último en la fotosíntesis de las plantas.
Al quemar combustibles fósiles (los restos fosilizados de plantas antiguas) y liberar a la atmósfera el carbono que contienen, estamos calentando la Tierra, con consecuencias potencialmente devastadoras.
Dicho de forma sencilla, la fotosíntesis utiliza la energía de la luz solar para convertir el agua y el dióxido de carbono en estructuras vegetales. También crea una reserva de energía.
Como era de esperar, dada nuestra necesidad de abandonar rápidamente el uso de combustibles fósiles, investigadores de todo el mundo estudian frenéticamente métodos para transformar el material vegetal en formas de combustible más útiles. Una manera consiste en imitar el proceso que utilizan las plantas para generar energía mediante la fotosíntesis artificial.
Y un descubrimiento reciente podría suponer un gran avance en la generación de nuevos combustibles respetuosos con el clima.
Superar a las plantas en su propio terreno
La fotosíntesis de las plantas es, en realidad, bastante ineficiente a la hora de captar y almacenar energía solar. Es poco probable que las necesidades energéticas del mundo puedan cubrirse exclusivamente con fuentes vegetales, como los biocombustibles: sencillamente, no hay espacio suficiente para cultivar suficientes plantas.
Otra opción es comprender los procesos fundamentales que tienen lugar en la fotosíntesis e imitarlos en un entorno industrial: un concepto conocido como fotosíntesis artificial.
Si se logra desarrollar una fotosíntesis artificial más eficiente que la fotosíntesis de las plantas, una gran parte de nuestras necesidades de combustible podría cubrirse con estas fábricas de «combustible solar». Podrían instalarse allí donde abunden la luz solar y el agua, y la atmósfera aportaría el resto.
Pero la fotosíntesis artificial aún está en desarrollo. Los investigadores han creado diversos métodos para afrontar los retos que plantea hacer funcionar la fotosíntesis artificial a gran escala.
Como siempre, el diablo está en los detalles: al profundizar en el funcionamiento de la fotosíntesis natural, vemos que las plantas han evolucionado un proceso de múltiples etapas.
Cómo funciona la fotosíntesis
Primero, hay que captar la energía de la luz. En las plantas, esto se lleva a cabo mediante un complejo captador de luz llamado moléculas antena, que se encuentra en los cloroplastos de las hojas.
Después, las plantas usan la energía luminosa captada para generar energía libre en forma de electrones y dividir moléculas de agua para obtener moléculas de oxígeno. Esta reacción es «catalizada» por un compuesto de óxido de manganeso.
A continuación, estos electrones se transfieren a otro sitio y reciben un impulso de energía adicional de otro fotón de luz solar. Esto genera nuevas moléculas de carbono a partir del dióxido de carbono.
La clave de este proceso son los catalizadores. Deben poder absorber la luz, liberar energía en forma de electrones y transferirlos para dividir las moléculas de dióxido de carbono.
Está claro que se necesita una combinación de materiales para llevar a cabo estas distintas tareas. Para funcionar eficazmente, los diferentes materiales deben estar en contacto muy estrecho, por lo que todo esto debe reducirse al tamaño de una nanopartícula.
Acercándonos a la respuesta
Nuestro grupo logró recientemente avances importantes gracias a un nuevo catalizador desarrollado por el investigador Dr Haitao Li en los laboratorios de Monash del ARC Centre of Excellence for Electromaterials Science (ACES). El descubrimiento se publicó recientemente en Advanced Energy Materials.
El Dr Li tomó pequeñas esferas de óxido de cobre (Cu2O) (de aproximadamente 1 micrómetro de diámetro, o una milésima de milímetro) y fijó diminutos puntos de carbono (de unos 2 nanómetros de diámetro) en puntos aleatorios de su superficie.
El óxido de cobre absorbe la luz con gran eficacia para liberar energía en forma de electrones, además de fijar CO2 a su superficie. Los puntos de carbono ayudan a dividir las moléculas de agua.
Una vez expuesto a la luz solar, el catalizador absorbe y convierte CO2 de manera constante. El producto de este proceso es metanol, un combustible líquido muy útil que podría servir para hacer funcionar automóviles, calentar hogares o generar electricidad.
Captura de carbono : la captura de CO2 de los conductos de las centrales eléctricas podría acelerar el desarrollo de la tecnología de fotosíntesis artificial. Actualmente, no hay ninguna aplicación para este CO2, por lo que debe «confinarse» en formaciones geológicas, con un costo económico considerable.
Como la fotosíntesis artificial podría aprovechar directamente este CO2 concentrado, haría más económica la tecnología de captura de carbono. Este CO2 sería la materia prima perfecta para el proceso de fotosíntesis artificial de alta eficiencia.
En grupos de investigación de todo el mundo se estudian diversos enfoques de la fotosíntesis artificial, y crece un movimiento, liderado por el Prof Tom Faunce, de ANU, que busca coordinar estos esfuerzos a alto nivel para acelerar nuestros avances (véase también aquí).
Publicado en colaboración con The Conversation
Autor: Doug Macfarlane es profesor de Química en Monash University.
Imagen: Un trabajador cosecha productos frescos de una torre en la granja vertical Sky Greens, en Singapur, el 30 de julio de 2014. REUTERS/Edgar Su
