Las plantas convierten la luz solar en energía a través de la fotosíntesis. ¿Podemos hacer lo mismo? iStockphoto.com/ooyoo Si la fuente de energía más inteligente es abundante, barato y limpio, entonces las plantas son mucho más inteligentes que los humanos. Durante miles de millones de años desarrollaron quizás la fuente de alimentación más eficiente del mundo: fotosíntesis , o la conversión de la luz del sol, dióxido de carbono y agua en combustible utilizable, emitiendo oxígeno útil en el proceso.
En el caso de las plantas (además de las algas y algunas bacterias), "combustible utilizable" son los carbohidratos, proteínas y grasas. Humanos por otra parte, están buscando combustible líquido para alimentar automóviles y electricidad para hacer funcionar refrigeradores. Pero eso no significa que no podamos recurrir a la fotosíntesis para resolver nuestro problema, costoso-, aflicciones de energía menguante. Durante años, Los científicos han estado tratando de encontrar una forma de utilizar el mismo sistema energético que utilizan las plantas, pero con una producción final alterada.
Usando nada más que la luz del sol como entrada de energía, las plantas realizan conversiones masivas de energía, cumpliendo 1, 102 mil millones de toneladas (1, 000 mil millones de toneladas métricas) de CO 2 en materia orgánica, es decir., energía para animales en forma de alimento, cada año [fuente:Hunter]. Y eso solo usa el 3 por ciento de la luz solar que llega a la Tierra [fuente:Boyd].
La energía disponible en la luz solar es un recurso sin explotar que apenas hemos empezado a controlar. Tecnología actual de células fotovoltaicas, típicamente un sistema basado en semiconductores, es caro, no terriblemente eficiente, y solo se producen conversiones instantáneas de luz solar a electricidad:la producción de energía no se almacena para un día lluvioso (aunque eso podría estar cambiando:consulte "¿Hay alguna forma de obtener energía solar por la noche?"). Pero un sistema de fotosíntesis artificial o una célula fotoelectroquímica que imita lo que sucede en las plantas podría potencialmente crear un interminable, suministro relativamente económico de todo el "gas" limpio y la electricidad que necesitamos para alimentar nuestras vidas, y de forma almacenable, también.
En este articulo, veremos la fotosíntesis artificial y veremos qué tan lejos ha llegado. Descubriremos lo que el sistema debe poder hacer, Eche un vistazo a algunos de los métodos actuales para lograr la fotosíntesis artificial y compruebe por qué no es tan fácil de diseñar como otros sistemas de conversión de energía.
Entonces, ¿Qué tiene que poder hacer un sistema de fotosíntesis artificial?
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Para recrear la fotosíntesis que las plantas han perfeccionado, un sistema de conversión de energía tiene que ser capaz de hacer dos cosas cruciales (probablemente dentro de algún tipo de nanotubo que actúa como la "hoja" estructural):recolectar la luz solar y dividir las moléculas de agua.
Las plantas realizan estas tareas usando clorofila, que captura la luz del sol, y una colección de proteínas y enzimas que usan esa luz solar para descomponer H 2 O moléculas en hidrógeno, electrones y oxígeno (protones). Los electrones y el hidrógeno luego se utilizan para convertir CO 2 en carbohidratos, y se expulsa el oxígeno.
Para que un sistema artificial funcione para las necesidades humanas, la salida tiene que cambiar. En lugar de liberar solo oxígeno al final de la reacción, también tendría que liberar hidrógeno líquido (o quizás metanol). Ese hidrógeno podría usarse directamente como combustible líquido o canalizarse hacia una celda de combustible. Conseguir que el proceso para producir hidrógeno no sea un problema, ya que ya está en las moléculas de agua. Y capturar la luz solar no es un problema, los sistemas de energía solar actuales lo hacen.
La parte difícil es dividir las moléculas de agua para obtener los electrones necesarios para facilitar el proceso químico que produce el hidrógeno. La división del agua requiere una entrada de energía de aproximadamente 2,5 voltios [fuente:Hunter]. Esto significa que el proceso requiere un catalizador, algo para que todo se mueva. El catalizador reacciona con los fotones del sol para iniciar una reacción química.
Ha habido avances importantes en esta área en los últimos cinco o diez años. Algunos de los catalizadores más exitosos incluyen:
Una vez perfeccionado, estos sistemas podrían cambiar la forma en que alimentamos nuestro mundo.
El científico de NREL, John Turner, demuestra la capacidad de una celda fotoelectroquímica (PEC) para producir hidrógeno a partir del agua utilizando energía de una fuente de luz. Imagen cortesía de Warren Gretz, Laboratorio Nacional de Energías Renovables Los combustibles fósiles escasean, y están contribuyendo a la contaminación y al calentamiento global. Carbón, aunque abundante, es altamente contaminante tanto para el cuerpo humano como para el medio ambiente. Las turbinas eólicas están dañando paisajes pintorescos, El maíz requiere grandes extensiones de tierra de cultivo y la tecnología actual de células solares es cara e ineficiente. La fotosíntesis artificial podría ofrecer una nueva, posiblemente una forma ideal de salir de nuestra situación energética.
Por una cosa, tiene beneficios sobre las células fotovoltaicas, encontrado en los paneles solares de hoy. La conversión directa de la luz solar en electricidad en las células fotovoltaicas hace que la energía solar sea una energía dependiente del tiempo y del clima. lo que disminuye su utilidad y aumenta su precio. Fotosíntesis artificial, por otra parte, podría producir un combustible almacenable.
Y a diferencia de la mayoría de los métodos de generación de energía alternativa, la fotosíntesis artificial tiene el potencial de producir más de un tipo de combustible. El proceso fotosintético podría modificarse para que las reacciones entre la luz, CO 2 y H 2 O finalmente produce hidrógeno líquido. El hidrógeno líquido se puede utilizar como gasolina en motores impulsados por hidrógeno. También podría canalizarse a una configuración de pila de combustible, que revertiría efectivamente el proceso de fotosíntesis, creando electricidad mediante la combinación de hidrógeno y oxígeno en agua. Las celdas de combustible de hidrógeno pueden generar electricidad como la que obtenemos de la red, así que lo usaríamos para hacer funcionar nuestro aire acondicionado y calentadores de agua.
Un problema actual con la energía del hidrógeno a gran escala es la cuestión de cómo generar hidrógeno líquido de manera eficiente y limpia. La fotosíntesis artificial podría ser una solución.
El metanol es otro posible resultado. En lugar de emitir hidrógeno puro en el proceso de fotosíntesis, la celda fotoelectroquímica podría generar combustible de metanol (CH 3 OH). Metanol, o alcohol metílico, se deriva típicamente del metano en el gas natural, ya menudo se agrega a la gasolina comercial para que se queme de manera más limpia. Algunos automóviles incluso pueden funcionar con metanol solo.
La capacidad de producir un combustible limpio sin generar subproductos nocivos. como gases de efecto invernadero, hace de la fotosíntesis artificial una fuente de energía ideal para el medio ambiente. No requeriría minería, creciendo o perforando. Y dado que actualmente no hay escasez de agua ni de dióxido de carbono, también podría ser una fuente ilimitada, potencialmente menos costoso que otras formas de energía a largo plazo. De hecho, este tipo de reacción fotoelectroquímica podría incluso eliminar grandes cantidades de CO nocivo 2 del aire en el proceso de producción de combustible. Es una situación en la que todos ganan.
Pero todavía no hemos llegado a ese punto. Existen varios obstáculos en la forma de utilizar la fotosíntesis artificial a gran escala.
La naturaleza ha perfeccionado el proceso de fotosíntesis durante miles de millones de años. No será fácil replicarlo en un sistema sintético. iStockphoto.com/Zemdega Mientras que la fotosíntesis artificial funciona en el laboratorio, no está listo para el consumo masivo. Replicar lo que sucede de forma natural en las plantas verdes no es una tarea sencilla.
La eficiencia es fundamental en la producción de energía. Las plantas tardaron miles de millones de años en desarrollar el proceso de fotosíntesis que les funciona de manera eficiente; replicar eso en un sistema sintético requiere mucho ensayo y error.
El manganeso que actúa como catalizador en las plantas no funciona tan bien en una configuración artificial, principalmente porque el manganeso es algo inestable. No dura mucho y no se disuelve en agua, haciendo que un sistema a base de manganeso sea algo ineficaz y poco práctico. El otro gran obstáculo es que la geometría molecular en las plantas es extraordinariamente compleja y exacta; la mayoría de las configuraciones hechas por el hombre no pueden replicar ese nivel de complejidad.
La estabilidad es un problema en muchos sistemas de fotosíntesis potenciales. Los catalizadores orgánicos a menudo se degradan, o desencadenan reacciones adicionales que pueden dañar el funcionamiento de la célula. Los catalizadores de óxidos metálicos inorgánicos son una buena posibilidad, pero tienen que trabajar lo suficientemente rápido para hacer un uso eficiente de los fotones que ingresan al sistema. Ese tipo de velocidad catalítica es difícil de conseguir. Y algunos óxidos metálicos que tienen la velocidad faltan en otra área:la abundancia.
En las células sensibilizadas por colorante de última generación, el problema no es el catalizador; en lugar de, es la solución de electrolitos la que absorbe los protones de las moléculas de agua divididas. Es una parte esencial de la célula, pero está hecho de solventes volátiles que pueden erosionar otros componentes del sistema.
Los avances de los últimos años están comenzando a abordar estos problemas. El óxido de cobalto es un estable, Óxido metálico rápido y abundante. Los investigadores en celdas sensibilizadas con colorante han encontrado una solución sin base de solvente para reemplazar la sustancia corrosiva.
La investigación en fotosíntesis artificial está cobrando impulso, pero no saldrá del laboratorio pronto. Pasarán al menos 10 años antes de que este tipo de sistema sea una realidad [fuente:Boyd]. Y esa es una estimación bastante esperanzadora. Algunas personas no están seguras de que alguna vez suceda. Todavía, ¿Quién puede resistirse a esperar plantas artificiales que se comporten como si fueran reales?
