El científico Heinz Frei ha pasado décadas trabajando para construir una versión artificial de una de las máquinas más elegantes y efectivas de la naturaleza:la hoja.

Frei, y muchos otros investigadores de todo el mundo, buscan utilizar la fotosíntesis, la reacción química impulsada por la luz solar que utilizan las plantas verdes y las algas para convertir el dióxido de carbono (CO ₂ ) en combustible celular, para generar los tipos de combustible que pueden alimentar nuestros hogares y vehículos. Si la tecnología necesaria pudiera refinarse modelos teóricos pasados ​​y prototipos a escala de laboratorio, esta idea de la luna llena, conocida como fotosíntesis artificial, tiene el potencial de generar grandes fuentes de energía completamente renovable utilizando el excedente de CO ₂ en nuestra atmósfera.

Con su último avance, Frei y su equipo en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Laboratorio de Berkeley) del Departamento de Energía se están acercando ahora a este objetivo. Los científicos han desarrollado un sistema de fotosíntesis artificial, hecho de tubos nanométricos, que parece capaz de realizar todos los pasos clave de la reacción de generación de combustible.

Su último artículo, publicado en Materiales funcionales avanzados , demuestra que su diseño permite el rápido flujo de protones desde el espacio interior del tubo, donde se generan a partir de la división de moléculas de agua, al exterior, donde se combinan con CO ₂ y electrones para formar el combustible. Ese combustible es actualmente monóxido de carbono, pero el equipo está trabajando para producir metanol. Flujo rápido de protones que es esencial para aprovechar de manera eficiente la energía solar para formar un combustible, ha sido una espina en el costado de los sistemas de fotosíntesis artificial del pasado.

Ahora que el equipo ha mostrado cómo los tubos pueden realizar todas las tareas fotosintéticas individualmente, están listos para comenzar a probar el sistema completo. La unidad individual del sistema serán pequeñas "baldosas de combustible solar" cuadradas (varias pulgadas de lado) que contienen miles de millones de tubos a nanoescala intercalados entre un piso y un techo de delgados, silicato ligeramente flexible, con las aberturas del tubo perforando estas cubiertas. Frei tiene la esperanza de que las fichas de su grupo puedan ser las primeras en abordar los principales obstáculos que aún enfrenta este tipo de tecnología.

"Hay dos desafíos que aún no se han cumplido, "dijo Frei, quien es un científico senior en el Área de Biociencias de Berkeley Lab. "Uno de ellos es la escalabilidad. Si queremos mantener los combustibles fósiles en el suelo, necesitamos poder generar energía en teravatios, una enorme cantidad de combustible. Y, es necesario fabricar un combustible de hidrocarburo líquido para que podamos utilizarlo con los billones de dólares en infraestructura y tecnología existentes ".

Señaló que una vez que se hace un modelo que cumple con estos requisitos, la construcción de una granja de combustible solar a partir de muchos mosaicos individuales podría avanzar rápidamente. "Nosotros, como científicos básicos, Necesito entregar un mosaico que funcione, con todas las preguntas sobre su desempeño resueltas. Y los ingenieros de la industria saben cómo conectar estos mosaicos. Cuando hayamos descubierto las pulgadas cuadradas podrán ganar millas cuadradas ".

Cómo funciona

Cada pequeño (alrededor de 0,5 micrómetros de ancho), El tubo hueco dentro de la baldosa está hecho de tres capas:una capa interna de óxido de cobalto, una capa intermedia de sílice, y una capa exterior de dióxido de titanio. En la capa interior del tubo, la energía de la luz solar entregada al óxido de cobalto divide el agua (en forma de aire húmedo que fluye a través del interior de cada tubo), produciendo protones y oxígeno libres.

"Estos protones fluyen fácilmente a través de la capa exterior, donde se combinan con dióxido de carbono para formar monóxido de carbono ahora, y metanol en un paso futuro, en un proceso habilitado por un catalizador soportado por la capa de dióxido de titanio, "dijo Won Jun Jo, becario postdoctoral y primer autor del artículo. "El combustible se acumula en el espacio entre los tubos, y se puede drenar fácilmente para su recolección ".

En tono rimbombante, la capa intermedia de la pared del tubo mantiene el oxígeno producido por la oxidación del agua en el interior del tubo, y bloquea el dióxido de carbono y las moléculas de combustible en evolución en el exterior para que no penetren en el interior, separando así las dos zonas de reacción química muy incompatibles.

Este diseño imita las células fotosintéticas vivas reales, que separan las reacciones de oxidación y reducción con compartimentos de membranas orgánicas dentro del cloroplasto. De manera similar, en línea con el modelo original de la naturaleza, Los tubos de membrana del equipo permiten que la reacción fotosintética ocurra en una distancia muy corta, minimizando la pérdida de energía que se produce cuando los iones viajan y previniendo reacciones químicas no deseadas que también reducirían la eficiencia del sistema.

"Este trabajo es parte del compromiso de Berkeley Lab de aportar soluciones a los urgentes desafíos energéticos que plantea el cambio climático, ", dijo Frei." La naturaleza interdisciplinaria de la tarea requiere la amplitud de la experiencia y las principales instalaciones exclusivas de Berkeley Lab. En particular, las capacidades de nanofabricación e imagen de la Molecular Foundry son esenciales para sintetizar y caracterizar las capas ultrafinas y hacer arreglos de nanotubos huecos del tamaño de una pulgada cuadrada ".