Cómo Funciona La Fotosíntesis Artificial

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La fotosíntesis artificial nos permite replicar uno de los milagros de la naturaleza. Visite WordsSideKick.com para aprender todo sobre la fotosíntesis artificial.

Si la fuente de energía más inteligente es abundante, barata y limpia, las plantas son mucho más inteligentes que los humanos. A lo largo de miles de millones de años, desarrollaron quizás la fuente de alimentación más eficiente del mundo: fotosíntesis, o la conversión de luz solar, dióxido de carbono y agua en combustible utilizable, emitiendo oxígeno útil en el proceso.

En el caso de las plantas (así como las algas y algunas bacterias), el "combustible utilizable" es hidratos de carbono, proteínas y grasas. Los seres humanos, por otro lado, están buscando combustible líquido para alimentar automóviles y electricidad para hacer funcionar los refrigeradores. Pero eso no significa que no podamos recurrir a la fotosíntesis para resolver nuestros problemas de energía sucia, costosa y menguante. Durante años, los científicos han estado tratando de encontrar una manera de usar el mismo sistema de energía que las plantas, pero con una salida final alterada.

Usando nada más que la luz del sol como fuente de energía, las plantas realizan conversiones de energía masivas, convirtiendo 1,102 billones de toneladas (1,000 billones de toneladas métricas) de CO2 en materia orgánica, es decir, energía para animales en forma de alimento, cada año [fuente: Hunter]. Y eso es solo usar 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 solo hemos empezado a controlar realmente. La tecnología actual de células fotovoltaicas, típicamente un sistema basado en semiconductores, es costosa, no es terriblemente eficiente, y solo hace conversiones instantáneas de la luz solar a la electricidad; "¿Hay una manera de obtener energía solar en la noche?"). Pero un sistema de fotosíntesis artificial o una célula fotoelectroquímica que imita lo que sucede en las plantas podría crear un suministro interminable y relativamente barato de todo el "gas" limpio y la electricidad que necesitamos para alimentar nuestras vidas, y también en una forma almacenable.

En este artículo, veremos la fotosíntesis artificial y veremos hasta dónde ha llegado. Descubriremos lo que el sistema debe poder hacer, veremos algunos métodos actuales para lograr la fotosíntesis artificial y veremos por qué no es tan fácil de diseñar como otros sistemas de conversión de energía.

Entonces, ¿qué tiene que hacer un sistema de fotosíntesis artificial?

Cómo funciona la fotosíntesis artificial: cómo

Enfoques de la fotosíntesis artificial

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): recoger la luz solar y dividir las moléculas de agua.

Las plantas realizan estas tareas usando clorofila, que captura la luz solar, y una colección de proteínas y enzimas que utilizan esa luz solar para descomponer la H2O moléculas en hidrógeno, electrones y oxígeno (protones). Los electrones y el hidrógeno se utilizan para convertir el CO.2 En carbohidratos, y el oxígeno es expulsado.

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 a una celda de combustible. Lograr que el proceso produzca hidrógeno no es un problema, ya que ya está allí en las moléculas de agua. Y capturar la luz solar no es un problema, los actuales sistemas de energía solar 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 10 años. Algunos de los catalizadores más exitosos incluyen:

  • Manganeso: El manganeso es el catalizador que se encuentra en el núcleo fotosintético de las plantas. Un solo átomo de manganeso desencadena el proceso natural que utiliza la luz solar para dividir el agua. Usar manganeso en un sistema artificial es un enfoque biomimetrico - Imita directamente la biología encontrada en las plantas.
  • Dióxido de titanio sensibilizado con colorante: Dióxido de titanio (TiO2) es un metal estable que puede actuar como un catalizador eficiente. Se utiliza en una célula solar sensibilizada por colorante, también conocida como célula de Graetzel, que ha existido desde la década de 1990. En una célula de Graetzel, el TiO2 se suspende en una capa de partículas de tinte que capturan la luz solar y luego la exponen al TiO2 para iniciar la reacción.
  • Óxido de cobalto: Uno de los catalizadores descubiertos más recientemente, se ha encontrado que los grupos de moléculas de óxido de cobalto (CoO) de tamaño nanométrico son desencadenantes estables y altamente eficientes en un sistema de fotosíntesis artificial. El óxido de cobalto también es una molécula muy abundante, actualmente es un catalizador industrial popular.

Una vez perfeccionados, estos sistemas podrían cambiar la forma en que potenciamos nuestro mundo.

Aplicaciones de la fotosíntesis artificial

John Turner, científico de NREL, demuestra la capacidad de una célula fotoelectroquímica (PEC) para producir hidrógeno a partir del agua utilizando energía de una fuente de luz.

John Turner, científico de NREL, demuestra la capacidad de una célula fotoelectroquímica (PEC) para producir hidrógeno a partir del agua utilizando energía de una fuente de luz.

Los combustibles fósiles son escasos y contribuyen a la contaminación y al calentamiento global. El carbón, aunque es abundante, es altamente contaminante tanto para los cuerpos humanos como para el medio ambiente. Las turbinas eólicas están dañando paisajes pintorescos, el maíz requiere grandes extensiones de tierras de cultivo y la tecnología actual de células solares es costosa e ineficiente.La fotosíntesis artificial podría ofrecer una nueva, posiblemente ideal manera de salir de nuestro problema energético.

Por un lado, tiene beneficios sobre las células fotovoltaicas, que se encuentran en los paneles solares de hoy. La conversión directa de la luz solar a electricidad en células fotovoltaicas hace que la energía solar sea una energía que depende del clima y el tiempo, lo que disminuye su utilidad y aumenta su precio. La fotosíntesis artificial, por otro lado, 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, por lo que las reacciones entre la luz y el CO2 y H2O finalmente producir hidrógeno líquido. El hidrógeno líquido se puede utilizar como la gasolina en motores impulsados ​​por hidrógeno. También podría ser canalizado en una configuración de celda de combustible, lo que efectivamente revertiría el proceso de fotosíntesis, creando electricidad al combinar hidrógeno y oxígeno en agua. Las celdas de combustible de hidrógeno pueden generar electricidad como las cosas que obtenemos de la red, por lo que la usaríamos para hacer funcionar nuestro aire acondicionado y calentadores de agua.

Un problema actual con la energía de 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 otra salida posible. En lugar de emitir hidrógeno puro en el proceso de fotosíntesis, la célula fotoelectroquímica podría generar metanol combustible (CH3OH). El metanol, o alcohol metílico, se deriva típicamente del metano en el gas natural, y a menudo se agrega a la gasolina comercial para que se queme de manera más limpia. Algunos coches incluso pueden funcionar con metanol solo.

La capacidad de producir un combustible limpio sin generar subproductos dañinos, como los gases de efecto invernadero, hace que la fotosíntesis artificial sea una fuente de energía ideal para el medio ambiente. No requeriría minería, cultivo o perforación. Y dado que ni el agua ni el dióxido de carbono son actualmente escasos, también podría ser una fuente ilimitada, potencialmente menos costosa que otras formas de energía a largo plazo. De hecho, este tipo de reacción fotoelectroquímica podría incluso eliminar grandes cantidades de CO nocivo.2 Desde el aire en el proceso de producción de combustible. Es una situación de ganar-ganar.

Pero todavía no estamos allí. Hay varios obstáculos en la forma de usar la fotosíntesis artificial en una escala de masa.

Desafíos en la creación de la fotosíntesis artificial

La naturaleza ha perfeccionado el proceso de fotosíntesis a lo largo de miles de millones de años. No será fácil replicarlo en un sistema sintético.

La naturaleza ha perfeccionado el proceso de fotosíntesis a lo largo de miles de millones de años. No será fácil replicarlo en un sistema sintético.

Si bien la fotosíntesis artificial funciona en el laboratorio, no está lista para el consumo masivo. Replicar lo que ocurre naturalmente en las plantas verdes no es una tarea simple.

La eficiencia es crucial en la producción de energía. Las plantas tardaron miles de millones de años en desarrollar el proceso de fotosíntesis que funciona de manera eficiente para ellas; replicar eso en un sistema sintético requiere mucha prueba y error.

El manganeso que actúa como catalizador en las plantas no funciona tan bien en una configuración hecha por el hombre, principalmente porque el manganeso es algo inestable. No dura mucho, y no se disuelve en el agua, lo que hace que un sistema basado en manganeso sea algo ineficiente 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 óxido de metal inorgánico son una buena posibilidad, pero tienen que trabajar lo suficientemente rápido para hacer un uso eficiente de los fotones que se vierten en el 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 con colorante actuales del estado de la técnica, el problema no es el catalizador; en cambio, es la solución de electrolito que absorbe los protones de las moléculas de agua divididas. Es una parte esencial de la celda, pero está hecha de solventes volátiles que pueden erosionar otros componentes del sistema.

Los avances en los últimos años están comenzando a abordar estos problemas. El óxido de cobalto es un óxido metálico estable, rápido y abundante. Investigadores en células sensibilizadas con colorante han ideado una solución no a base de solventes para reemplazar el material corrosivo.

La investigación en la fotosíntesis artificial está tomando fuerza, pero no abandonará el laboratorio en el corto plazo. 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. Aún así, ¿quién puede resistirse a esperar plantas artificiales que se comporten como las verdaderas?


Suplemento De Vídeo: Una Pequeña Dosis de Ciencia: Fotosíntesis artificial.




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