La fotosíntesis es el proceso por el cual las plantas usan la energía solar para convertir el dióxido de carbono y el agua en carbohidratos y oxígeno. Los carbohidratos se componen de carbono, hidrógeno y oxígeno y son por supuesto, alimentos. El objetivo de la fotosíntesis artificial no es sólo crear dispositivos y sistemas que imiten la fotosíntesis biológica, sino coordinar que el producto final esté apto para saciar el hambre de energía de la civilización en lugar de sus necesidad de alimentos.
La fotosíntesis artificial tiene el beneficio de no emitir carbono porque utilizar el combustible que se obtuvo en el proceso le devuelve al medioambiente la misma cantidad de carbono que se sacó durante la síntesis. Por este motivo, además de la generación de energía, se ha propuesto a menudo que este proceso será vital para eliminar el exceso de dióxido de carbono de la atmósfera.
Hojas artificiales, hojas biónicas
La energía solar utiliza una celda solar para crear electricidad, pero si la energía no se usa de inmediato, se la debe almacenar eficientemente porque, de lo contrario, se pierde. Esto ha demostrado ser un gran problema. En contraste, la ventaja de la fotosíntesis artificial es que el producto resultante es un químico estable, ya sea carbohidrato u otra cosa, que almacena energía dentro de sus uniones químicas a usarse para producir energía cuando se necesita.
Algunos de estos dispositivos, llamados hojas artificiales u hojas biónicas, producirán combustibles que se pueden usar directamente como fuentes de energía, por ejemplo, para generar electricidad. Otras producirán compuestos ricos en energía que son elementos constitutivos importantes para los procesos industriales. De no haberse derivado de este proceso, la producción de estos elementos constitutivos químicos habría requerido la entrada de energía de otras fuentes.
La naturaleza da una mano
Uno de los aspectos más interesantes de la fotosíntesis artificial es que estos proyectos —por su propia naturaleza— son colaboraciones entre biólogos y físicos. Esto se debe a que la estrella del programa es, generalmente, una bacteria.
En un medio ideado por el químico Peidong Yang del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, cables especiales producidos gracias a la nanotecnología capturan la luz solar y la convierten en electrones energéticos que se mueven. Los cables protegen a las bacterias sensibles de químicos potencialmente dañinos presentes en el aire, y el sistema transfiere los electrones a las bacterias, las que, en esta adaptación, producen el acetato químico. Este es un elemento químico constitutivo rico en energía importante para muchos procesos industriales.
Los nanocables están compuestos de óxido de silicio y titanio, y cada uno absorbe la luz solar a diferentes longitudes de onda. Se utilizaron las bacterias Sporomusa ovata, que se conoce tienen la capacidad de usar los electrones móviles para la ruptura del dióxido de carbono. En este caso, los electrones son capturados por los nanocables y no por un organismo biológico.
Durante el proceso, los electrones de los nanocables descomponen el agua en oxígeno molecular y en iones de hidrógeno. Las bacterias, que se plantan alrededor de los cables y se aíslan de la atmosfera, toman los electrones y los agregan al CO2 para formar el anteriormente mencionado acetato. El paso final convierte el acetato en combustible, como lo hacen las plantas verdes, o en otros compuestos útiles. La reacción general es dióxido de carbono y agua que, a través de la energía solar, produce ácido acético y agua. En el transcurso de los años ha habido numerosos esfuerzos por lograr estos y similares productos a través de métodos puramente electroquímicos. Todavía ninguno ha resultado ser viable y solo ha habido avances cuando se ha usado un catalizador bacterial.
Según Yang, esta iteración del proyecto solo logra la eficiencia de conversión de energía solar en menos de un 1 por ciento, lo cual es compatible con lo que las plantas verdes logran en la naturaleza. Espera mejorar el proceso en un 3 por ciento de eficiencia dentro de poco, y anticipa que un 10 por ciento de eficiencia será suficiente para que un producto se comercialmente viable. Se debe además notar que, en cualquier otro lado, se usan nanocables similares en sistemas para simplemente generar electricidad de manera similar a la ahora familiar celda solar.
Fábricas biológicas
La fotosíntesis artificial ofrece otras interesantes posibilidades. Al alterar las bacterias que se utilizan, además de los carbohidratos o acetatos, se generan diferentes químicos. O, el ácido acético puede convertirse fácilmente en Acetil Coenzima A (Acetil-CoA) por la presencia de otros catalizadores bacteriales.
Figura 1: Fotosíntesis artificial en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. (Fuente: Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley)
El Acetil-CoA es un factor importante en el metabolismo animal y, como lo describe la foto de arriba, bien puede servir como punto de partida en la generación de muchos compuestos químicos útiles.
Esto abre otra posibilidad de fotosíntesis artificial. Incluso antes de que se convierta en una gran fuente de combustible y un importante absorbedor de CO2, la fotosíntesis artificial bien podría ser útil como fuente de químicos que de otra manera serían difíciles de obtener sin perjudicar el medioambiente.
En el proyecto de Hoja Biónica de la Universidad de Harvard, el gas de hidrógeno producido como paso intermedio se usa para alimentar una bacteria diseñada genéticamente, Ralstonia eutropha, que produce isopropanol como producto final. El isopropanol es un derivado particularmente interesante porque puede usarse como combustible, al igual que el etanol.
Gas hidrógeno en Cal Tech
El enfoque en el Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial (Joint Center for Artificial Photosynthesis) de Cal Tech es usar dos electrodos separados que produzcan no un químico complejo, sino gases de hidrógeno y oxígeno. Un electrodo absorbe y utiliza la energía cosechada de la luz solar para descomponer el agua en sus componentes de protones, electrones y gas de oxígeno. El otro sirve para unir los electrones y los protones en gas hidrógeno. El único problema es que se trata de la misma mezcla que a menudo se utiliza para enviar cohetes al espacio y, por lo tanto, está de más decir que existe el peligro de una explosión, que se mitigó con la introducción de una membrana que asegure que estos gases estén aislados uno del otro.
Hay también problemas a superar con los electrodos mismos, y el principal inconvenientes es que, cuando se los expone al agua, desarrollan una especie de "óxido" que interfiere con su función. La solución ha sido la implementación de un recubrimiento de óxido de níquel para proteger los electrodos. Pero lo más importante es que el nuevo recubrimiento no interfiere con la función de la membrana que mantiene a los gases de hidrógeno y oxígeno que se han producido. Hasta el momento, las pruebas han revelado que el sistema, tal como se lo ha ideado, seguirá funcionando de forma segura y eficiente —sin ninguna avería— durante cientos de horas.
Si bien ninguno de estos enfoques producirá un producto disponible a nivel comercial en un futuro muy cercano, el concepto está hoy comprobado. Está cada vez más claro que tenemos hoy la opción de extraer grandes cantidades de energía solar y de almacenarla de manera segura y eficiente para usarla cuando sea necesario; por ende, es sólo cuestión de tiempo tener otra opción viable de fuente de energía.