26/07/2011 - Fotosíntesis artificial: el reto de producir combustibles a partir de la energía solar

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Actualmente, un tema que despierta grandes pasiones tanto en la sociedad como en la comunidad científica es el debate sobre el cambio climático y el desarrollo de energías renovables. La gran ventaja de las energías renovables es que teóricamente son inagotables (luz solar, vientos, etc.), y que muchas de ellas no emiten gases de efecto invernadero, como el dióxido de carbono (CO2), a la atmósfera. Desgraciadamente, el coste de la energía obtenida a partir de estas tecnologías es todavía muy superior al coste asociado al uso de combustibles fósiles, como el carbón o el petróleo, lo que dificulta su uso generalizado.

Otro inconveniente importante, sin embargo, es el elevado coste asociado al almacenamiento de esta energía, ya que la producción de energía a partir de estas fuentes, a menudo irregulares o aleatorias, difícilmente se puede sincronizar con la demanda generada por la sociedad.

Una solución muy atractiva en este contexto se basa en imitar el proceso natural que plantas y bacterias realizan desde hace millones de años, la fotosíntesis. Este campo de investigación, conocido como fotosíntesis artificial, es ya uno de los mayores retos de la química del siglo XXI, y tiene como objetivo desarrollar dispositivos que no se limiten a captar energía solar y convertirla en electricidad (como una celda fotovoltaica), sino que pretende usar esta energía para producir un combustible, por ejemplo hidrógeno, directamente en el dispositivo. De este modo, la energía solar se usaría directamente para disociar agua en oxígeno e hidrógeno. La gran ventaja, pues, radica en que la energía se podría almacenar fácilmente, ya que el proceso produce un combustible, no electricidad, de la misma forma que las plantas almacenan la glucosa que generan a través de la fotosíntesis.

Con la tecnología actual, de hecho, ya es posible usar la electricidad generada por una placa fotovoltaica para generar hidrógeno a partir de la electrólisis del agua; el problema es que este proceso es muy poco eficiente. El gran desafío en este sentido es desarrollar un catalizador químico que consiga disociar el agua en hidrógeno y oxígeno usando la energía solar absorbida. Tal fotocatalizador debería ser capaz de extraer secuencialmente cuatro electrones de dos moléculas de agua, y para entender la dificultad que entraña este proceso basta indicar que hasta la fecha solo se conoce un catalizador capaz de realizar esta tarea. Se trata del llamado fotosistema II de la maquinaria fotosintética natural, y cuya estructura atómica detallada se determinó en el año 2000 después de más de 20 años de investigación en esta dirección.

En marzo de este año asistí a un interesante conferencia organizada por la Universidad de Leiden (Países Bajos), que mediante el título ‘Modeling natural and artificial photosynthesis’, tenía como objetivo impulsar contactos entre investigadores que trabajan en diversas áreas relacionadas con este tema. Principalmente, los temas de discusión se centraron en dos aspectos: 1) la comprensión de los mecanismos de captura de luz en las llamadas proteínas antena fotosintéticas procedentes de plantas y bacterias, para replicar su extraordinaria eficiencia en sistemas artificiales, y 2) el desarrollo de catalizadores que permitan generar el combustible deseado usando la energía solar capturada. Ambos aspectos representan retos de primer orden, que necesitan de la colaboración de químicos procedentes de ámbitos muy diferentes (síntesis, simulación computacional, técnicas de espectroscopía electrónica, etc.) para llegar a dispositivos eficientes y económicamente viables. En mi caso, fui invitado para exponer el trabajo que realizamos en el Instituto de Química Computacional (IQC) de la Universidad de Girona, enfocado a entender cómo la estructura molecular (atómica) de las proteínas fotosintéticas regula y controla los procesos de captura de luz mediante simulación por ordenador.

Otro ejemplo de centros dentro de nuestras fronteras que han sido seducidos por este reto lo encontramos en el Instituto Catalán de Investigaciones Químicas (ICIQ), que recientemente han iniciado una línea de investigación para el desarrollo de catalizadores en fotosíntesis artificial. Otra muestra del gran interés que está generando este campo de investigación es la celebración durante este mes de agosto de la primera conferencia orientada a construir un proyecto global en fotosíntesis artificial. Esta conferencia, que tendrá lugar en la isla de Lord Howe, en Australia, bajo el título ‘Towards Global Artificial Photosynthesis. Energy, Nanochemistry and Governance’, cuenta con el apoyo del sector de ciencias naturales de la Unesco, y pretende debatir no sólo aspectos puramente científicos, sino también estrategias de financiación y colaboración entre entidades de distintos países a fin de impulsar el desarrollo de un proyecto global en fotosíntesis artificial. La iniciativa más ambiciosa en este campo, sin embargo, llegó desde Estados Unidos el año pasado con el anuncio por parte del Departamento de Energía de los EE UU del ‘Joint Center for Artificial Photosynthesis’, un programa altamente multidisciplinar liderado por el California Instiute of Technology y el Lawrence Berkeley National Laboratory, que recibirá una financiación de 122 millones de dólares en los próximos 5 años con el objetivo de impulsar el desarrollo de dispositivos capaces de generar combustibles directamente a partir de energía solar.

Aunque esta tecnología está aún en su infancia, y se cree que aún deberán pasar años antes de que sea posible integrar todos los pasos necesarios a fin de capturar la luz solar y producir el combustible final de forma económicamente viable, no hay duda que en los próximos años los avances en este campo de investigación prometen ser muy excitantes.

Sobre el autor

Carles Curutchet es investigador postdoctoral Beatriu de Pinós en el Instituto de Química Computacional (IQC) de la Universidad de Girona, y en los próximos meses se incorporará a la Universidad de Barcelona para establecer su propia línea de investigación mediante el programa Ramón y Cajal financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación. Su carrera investigadora empezó en la Universidad de Barcelona, donde se doctoró en Química Teórica y Computacional en el 2005, y a continuación realizó estancias postdoctorales en Italia y en Canadá en las universidades de Pisa (2005), Parma (2006-2007) y Toronto (2008-2009). Sus intereses actuales se centran en el estudio teórico de procesos de transferencia de energía electrónica en sistemas fotosintéticos naturales y artificiales.

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