La fotosíntesis artificial es una tecnología que busca imitar la fotosíntesis natural de las plantas con el fin de convertir dióxido de carbono y agua en carbohidratos y en oxígeno, utilizando la luz del Sol.
Existen diferentes procesos en proyecto en esta área, todos ellos dirigidos a utilizar la energía solar para producir energía limpia y eficiente.
Los combustibles fósiles, además de escasos, contaminan y participan en el calentamiento global y la energía fotovoltaica o la termoeléctrica es costosa, por lo que la fotosíntesis artificial como medio de energía es un área muy atractiva tanto desde el punto de vista ecológico como desde el económico.
Función
En la fotosíntesis natural intervienen docenas de enzimas que catalizan varias reacciones individuales, pero todo el proceso puede dividirse básicamente en dos fases principales que interactúan mediante moléculas transportadoras de energía: las reacciones luminosas, que dependen de la luz del Sol, y las reacciones oscuras, que pueden ocurrir en ausencia de luz.
Las investigaciones en cuanto a fotosíntesis artificial se pueden dividir de acuerdo con la fase de la fotosíntesis natural que buscan imitar: la separación de moléculas de agua para obtener hidrógeno y oxígeno que ocurre en la fase luminosa, y la fijación del bióxido de carbono que ocurre en la fase oscura.
Se pueden utilizar las plantas tal cual, pero es un método no rentable a gran escala, pues la fotosíntesis natural tiene un rendimiento de hasta 2%, mientras que la fotosíntesis artificial puede alcanzar una producción de 10 a 15 veces superior a las plantas para absorber bióxido de carbono (CO2) del aire y producir combustibles y otras sustancias.
La combustión del hidrógeno con el oxígeno produce mucha mayor energía que las gasolinas, el diesel o el gas natural, pero sin contaminar, ya que esta reacción química solamente genera emisiones de vapor de agua.
Proyectos
Ya en 1912 el químico italiano Giacomo Ciamician indicaba que una alternativa a los combustibles fósiles era utilizar la energía de la fotosíntesis natural.
La propuesta de Ciamician ha motivado desde entonces que investigadores de todo el mundo desarrollen métodos para obtener energía limpia de una forma sencilla, aprovechando la misma idea que explotan las células vegetales; es decir, transformar la energía solar en energía electroquímica empleando moléculas sensibles a la luz.
La primera hoja artificial fue desarrollada hace más de diez años por John Turner en el National Renewable Energy Laboratory, en Boulder, Colorado, EU.
(Foto: National Geographic)
Aunque altamente eficiente en la realización de la fotosíntesis, el dispositivo de Turner era poco práctico para un uso más amplio, ya que estaba compuesto de metales raros, caros, y era muy inestable… con una vida útil de apenas un día.
Dentro de los experimentos actuales, un grupo comandado por científicos británicos junto con investigadores de todo el mundo busca, por medio de la biología sintética, cómo separar el agua en hidrógeno y oxígeno, que luego se libera a la atmósfera.
Julea Butt, directora de la investigación en la Universidad de East Anglia, explica que en este sistema de fotosíntesis artificial se colocan pequeños paneles solares sobre microorganismos que capten la luz del Sol y conduzcan la producción de hidrógeno, sobre la cual las tecnologías para liberar energía bajo demanda están muy avanzadas.
El hidrógeno es un combustible con cero emisiones que puede hacer funcionar vehículos o ser transformado en electricidad. Julea Butt señala que los fotocatalizadores resultarán ser versátiles y que con una ligera modificación podrán aprovechar la energía solar para la manufactura de combustibles basados en carbón, medicamentos y químicos refinados.
El proyecto, valuado en más de un millón 200 mil dólares, será llevado a cabo por científicos de las universidades de East Anglia, Cambridge y Leeds.
Por su parte, investigadores del Laboratorio Berkley desarrollaron el primer banco de pruebas de microfluidos totalmente integrados para evaluar y optimizar los sistemas de conversión electroquímica dirigidos por energía solar.
Este sistema de banco de pruebas ya ha sido usado para estudiar esquemas de electrólisis fotovoltaica de agua, y puede adaptarse fácilmente al estudio de fotosíntesis artificial y tecnologías de células de combustible.
El Laboratorio Berkely está realizando una versión artificial de la fotosíntesis mediante membranas especializadas hechas de materiales de nanoingeniería, que imitan las condiciones de la naturaleza de forma más eficiente y con el propósito de producir combustibles almacenables, como hidrógeno, o hidrocarburos como gasolina, diesel, etcétera.
Un problema de la fotosíntesis artificial es que debe imitar el efecto fotosintético con un rendimiento mayor y para ello se busca una antena que capte de manera efectiva los fotones de luz.
El primer paso de la fotosíntesis es precisamente esa captura y luego viene el transporte de esa energía y su conversión en energía química.
Un equipo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers encontró una solución para la construcción de la antena: combinar hebras de ADN con moléculas de tinte. El sistema se asemeja al natural. El ADN actúa como plataforma para crear un sistema que permita recolectar la luz. En las plantas, esta plataforma consiste en un elevado número de proteínas que organizan las moléculas de clorofila para que capten la luz del Sol. Es un sistema muy complejo y casi imposible de replicar de manera artificial, porque todo se pierde si las uniones se rompen.
Sin embargo, utilizando ADN se puede conseguir un sistema autoconstruido que tenga suficiente precisión y además se repare a sí mismo.
Ventajas
La fotosíntesis artificial presenta ciertas ventajas con respecto de los paneles fotovoltaicos. La diferencia principal es que mientras la conversión directa de la luz solar en electricidad a través de paneles no permite su almacenamiento a gran escala, la fotosíntesis artificial puede producir combustible almacenable.
La fotosíntesis artificial tiene potencial para producir más de un tipo de combustible. El proceso fotosintético puede ajustarse para que las reacciones entre la luz, el dióxido de carbono y el agua produzcan hidrógeno líquido y usarlo como combustible de forma directa, pero también podría ser canalizado hacia una célula de hidrógeno, revertir la electrólisis y generar electricidad para el uso doméstico.
Uno de los problemas con el hidrogeno es encontrarlo en estado liquido en la naturaleza, pero con la fotosíntesis artificial este problema desaparece, ya que se consigue de forma natural gracias al agua y la luz solar que almacena este sistema.
El metanol es otro subproducto de la fotosíntesis natural que podría generarse también a través de la artificial: en lugar de emitir hidrógeno puro en el proceso, la célula fotoelectroquímica podría emitir este gas, que normalmente se obtiene a partir del metano del gas natural, y utilizarse como combustible.
Ecología
La capacidad de producir combustibles limpios sin generar subproductos nocivos, como por ejemplo Gases de Efecto Invernadero, hace de la fotosíntesis artificial una fuente de energía ideal para el medio ambiente. No requiere de extracciones ni perforaciones (como la minería), sus materias primeras no desaparecerán y es potencialmente menos costosa que las otras formas de energía.
Además, al utilizar CO2 como fuente de alimentación la reacción de la fotosíntesis artificial podría disminuir la cantidad de dióxido de carbono que se encuentra en nuestro aire, devolviendo oxígeno puro y deshaciendo el camino de la contaminación.
México
En nuestro país, el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) lanzó en 2012 un programa de fotosíntesis artificial. El proyecto es una iniciativa nacional que agrupa a científicos del Instituto Politécnico Nacional, la Universidad Autónoma de Nuevo León, el Centro de Investigación y Estudios Avanzados, el Centro de Investigación en Materiales Avanzados y la Universidad Autónoma Metropolitana, que desarrollan diversas líneas de investigación que amplían el enfoque de la iniciativa.