Refinería solar

Se trabaja desde 1970 con la idea de producir combustible líquido a partir de dióxido de carbono, agua y luz solar

ALBERTO REQUENA

Las plantas captan la luz solar y producen hidratos de carbono y almacenan energía. Es la fotosíntesis de las plantas verdes, gracias a la clorofila. Imitando a la naturaleza, una hoja artificial captaría y almacenaría energía y la transformaría en combustible, básicamente en carbono. Energía limpia respetando al medio ambiente. Se trabaja desde 1970 con la idea de producir combustible líquido a partir de dióxido de carbono, agua y luz solar. Hay catalizadores capaces de facilitar la 'división' del agua en hidrógeno y oxígeno. Otros permitirían convertir el hidrógeno y el dióxido de carbono en un combustible de alta densidad energética. El proceso debe ser asequible, escalable, de bajo coste y usando materiales disponibles.

Un generador integrado de energía solar absorbe agua y luz solar y las convierte en hidrógeno gaseoso y oxígeno. El hidrógeno como combustible, directo o promotor de otros combustibles como la gasolina. En las hojas naturales, los cloroplastos de las células de las hojas, a partir de la energía solar convierten el dióxido de carbono y el agua en el 'azúcar' que almacenan las plantas. No es un proceso muy eficiente, ya que el color verde hace que la captación de la luz solar no sea tan completa como sería el negro y la eficiencia de captación y conversión en productos, es solo un 1%.

Inicialmente, se separa el agua en hidrógeno y oxígeno. Este último se evapora y gracias a eso respiramos, mientras que el hidrógeno es el input de una serie de reacciones químicas que siguen. En la división se produce primero el hidrógeno y luego el oxígeno; así el hidrógeno no se inflama espontáneamente en presencia del segundo. El proceso natural es catalizado, para acelerar la división del agua. Es más, las dos reacciones acontecen en cubículos separados por una membrana, que es permeable a los iones cargados, imprescindible para mantener ajustada la carga. Conocido este proceso, la fotosíntesis artificial tiene un diseño similar. Se sumergen en agua dos fotoelectrodos para captar la energía lumínica necesaria para las semireacciones de dividir el agua. Se emplean dos catalizadores, como el proceso natural. Los electrodos lo mejoran, pues en la producción de oxígeno en el ánodo se pueden emplear los colores del extremo azul del espectro, mientras que los colores rojos van al cátodo que produce hidrógeno.

Materiales seguros

Son necesarios materiales fuertes, seguros y eficientes. No se pueden mezclar hidrógeno y oxígeno, porque explotarían. Las semireacciones generan distinta acidez, (el oxígeno creará un medio ácido e hidrógeno un medio básico). La capacidad de absorción de luz, es determinante, como la velocidad de 'división' del agua: se requieren catalizadores muy eficientes. No es fácil encontrarlos. Un 30% es la eficacia cuando ambos son óptimos. Lewis y col., de Caltech, intuyeron que los catalizadores que se usan en las refinerías para eliminar el azufre eran buenos candidatos, baratos y aceleran la producción del hidrógeno. El oxígeno todavía no tiene propuesta. El dióxido de titanio es efectivo para evitar la disolución alcalina. Es ingrediente básico en los protectores solares. Lewis y col anunciaron un generador integrado de energía solar de eficiencia un 10%. Llegaron a un 22%, pero se precisan económicos y abundantes.

Nocera, de la Universidad de Harvard, pretende producir directamente combustibles líquidos a base de carbono, para sustituir a los derivados del petróleo para los que hay infraestructura de distribución. También desde plásticos hasta preparados farmacéuticos. Se precisan nuevos materiales para absorber la luz y para catalizar las reacciones. Mucho más allá de obtener hidrógeno.

Todavía más audaz es emplear a la propia naturaleza para hacer la operación. Los enzimas que utilizan las plantas pueden emularse con bacterias que hagan lo mismo. En 1915, Nocera produjo hidrógeno y alimentó con él y con dióxido de carbono a las bacterias para obtener combustible líquido. El catalizador inorgánico destruía el ADN de las bacterias con el oxígeno reactivo que producía. En 2016, Nocera publicó en 'Science' un nuevo catalizador de cobalto y fósforo que no alteraba la bacteria y alcanzó un rendimiento el 10% en combustibles alcohólicos. Otras bacterias producirán otras moléculas basadas en el carbono, como demostró en 2017 con un híbrido de catalizador-bacteria que fija nitrógeno atmosférico para producir amoniaco.

Bacterias diseñadas y catalizadores en armonía son una puerta para la refinería solar que captura la sabiduría de la naturaleza, y promete ser una innovación de entidad y alcance.

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