Extracción de combustible limpio de la luz solar

Los investigadores del Centro de Biodiseño para el Descubrimiento Estructural Aplicado de ASU están explorando nuevas tecnologías que podrían allanar el camino hacia una energía limpia y sostenible para ayudar a satisfacer la desalentadora demanda mundial.

En una nueva investigación publicada en el Journal of the American Chemical Society (JACS), el autor principal Brian Wadsworth, junto con sus colegas Anna Beiler, Diana Khusnutdinova, Edgar Reyes Cruz y el autor correspondiente Gary Moore, describen tecnologías que combinan semiconductores de captación de luz y materiales catalíticos capaces de producir reacciones químicas que producen combustible limpio.

El nuevo estudio explora la sutil interacción de los componentes primarios de tales dispositivos y esboza un marco teórico para comprender las reacciones subyacentes de formación de combustible. Los resultados sugieren estrategias para mejorar la eficiencia y el rendimiento de estas tecnologías híbridas, acercándolas un paso más a la viabilidad comercial.

La producción de hidrógeno y formas reducidas de carbono mediante estas tecnologías podría algún día suplantar a las fuentes de combustibles fósiles en una amplia gama de productos básicos de carbono reducido, incluidos los combustibles, los plásticos y los materiales de construcción.

"En este trabajo en particular hemos estado desarrollando sistemas que integran tecnologías de captura y conversión de luz con estrategias de almacenamiento de energía basadas en productos químicos", dice Moore, quien es profesor asistente en la Escuela de Ciencias Moleculares de ASU. En lugar de la generación directa de electricidad a partir de la luz solar, esta nueva tecnología utiliza la energía solar para impulsar reacciones químicas capaces de producir combustibles, que almacenan la energía del sol en enlaces químicos. "Ahí es donde la catálisis se vuelve extremadamente importante. Es la química de controlar tanto la selectividad de las reacciones como los requerimientos generales de energía para impulsar esas transformaciones", dice Moore.

Algo nuevo bajo el sol

Una de las fuentes más atractivas para la producción de energía sostenible y neutra en carbono es a la vez antigua y abundante: la luz solar. De hecho, la adopción de tecnologías de energía solar ha cobrado un gran impulso en los últimos años.

Los dispositivos fotovoltaicos (PV), o células solares, recogen la luz solar y transforman la energía directamente en electricidad. La mejora de los materiales y la reducción de los costes han hecho de la energía fotovoltaica una opción energética atractiva, especialmente en estados soleados como Arizona, con grandes paneles solares que cubren varios acres y son capaces de alimentar a miles de hogares.

"Pero no basta con tener acceso a la energía solar mediante energía fotovoltaica", señala Moore. Muchas fuentes renovables como la luz solar y la energía eólica no siempre están disponibles, por lo que el almacenamiento de fuentes intermitentes es una parte clave de cualquier tecnología futura para satisfacer la demanda mundial de energía humana a gran escala.

Como explica Moore, tomar prestada una página del manual de la Naturaleza puede ayudar a los investigadores a aprovechar la energía radiante del sol para generar combustibles sostenibles. "Una cosa está clara", dice Moore. "Es probable que sigamos utilizando combustibles como parte de nuestra infraestructura energética en un futuro previsible, especialmente para aplicaciones relacionadas con el transporte terrestre y aéreo. Ahí es donde la parte bioinspirada de nuestra investigación se vuelve particularmente relevante - mirando a la Naturaleza en busca de pistas sobre cómo podríamos desarrollar nuevas tecnologías para producir combustibles que sean libres de carbono o neutrales".

El instinto solar

Uno de los trucos más impresionantes de la naturaleza es el uso de la luz solar para producir productos químicos ricos en energía, un proceso dominado hace miles de millones de años por las plantas y otros organismos fotosintéticos. "En este proceso, la luz se absorbe y la energía se utiliza para impulsar una serie de complejas transformaciones bioquímicas que, en última instancia, producen los alimentos que comemos y, a lo largo de largas escalas geológicas, los combustibles que rigen nuestra sociedad moderna", dice Moore.

En el presente estudio, el grupo analizó las variables clave que rigen la eficiencia de las reacciones químicas utilizadas para producir combustible a través de diversos dispositivos artificiales. "En este trabajo, hemos desarrollado un modelo cinético para describir la interacción entre la absorción de luz en la superficie del semiconductor, la migración de carga dentro del semiconductor, la transferencia de carga a nuestra capa catalizadora y luego el paso de catálisis química", dijo Wadsworth.

El modelo desarrollado por el grupo se basa en un marco similar que rige el comportamiento de las enzimas, conocido como cinética de Michaelis-Menten, que describe la relación entre las tasas de reacción enzimática y el medio en el que tiene lugar la reacción (o sustrato). En este caso, este modelo se aplica a dispositivos tecnológicos que combinan semiconductores que cosechan luz y materiales catalíticos para la formación de combustible.

"Describimos las actividades de formación de combustible de estos materiales híbridos como una función de la intensidad de la luz y también del potencial", dice Wadsworth. (Modelos cinéticos similares del tipo de Michaelis-Menten han demostrado ser útiles para analizar fenómenos como la unión antígeno-anticuerpo, la hibridación ADN-ADN y la interacción proteína-proteína).

Al modelar la dinámica del sistema, el grupo hizo un descubrimiento sorprendente. "En este sistema en particular no estamos limitados por la rapidez con la que el catalizador puede impulsar la reacción química", dice Moore. "Estamos limitados por la habilidad de entregar electrones a ese catalizador y activarlo. Esto está relacionado con la intensidad de la luz que llega a la superficie. Brian, Anna, Diana y Edgar han demostrado en sus experimentos que aumentar la intensidad de la luz aumenta la tasa de formación de combustible".

El descubrimiento tiene implicaciones para el diseño futuro de tales dispositivos con vistas a maximizar su eficiencia. "El simple hecho de añadir más catalizador a la superficie del material híbrido no da lugar a mayores tasas de producción de combustible. Tenemos que considerar las propiedades de absorción de luz del semiconductor subyacente, lo que a su vez nos obliga a pensar más en la selección del catalizador y en cómo el catalizador interactúa con el componente de absorción de luz".

Rayo de esperanza

Queda mucho trabajo por hacer antes de que estas soluciones de energía solar a combustibles estén listas para el horario de máxima audiencia. Hacer que estas tecnologías sean prácticas para las demandas humanas requiere eficiencia, asequibilidad y estabilidad. "Las asambleas biológicas tienen la capacidad de autorrepararse y reproducirse; las asambleas tecnológicas han sido limitadas en este aspecto. Es un área en la que podemos aprender más de la biología", dice Moore.

La tarea no podría ser más urgente. Se prevé que la demanda mundial de energía aumente de unos 17 terawatts en la actualidad a la asombrosa cifra de 30 terawatts a mediados de siglo. Además de los importantes obstáculos científicos y tecnológicos, Moore subraya que también serán esenciales los cambios profundos en las políticas. "Hay una verdadera pregunta sobre cómo vamos a satisfacer nuestras futuras demandas de energía. Si vamos a hacerlo de una manera ambientalmente consciente e igualitaria, va a requerir un compromiso político serio".

La nueva investigación es un paso en el largo camino hacia un futuro sostenible. El grupo señala que sus hallazgos son importantes porque probablemente son relevantes para una amplia gama de transformaciones químicas que involucran materiales absorbentes de luz y catalizadores. "Los principios clave, en particular la interacción entre la intensidad de la iluminación, la absorción de la luz y la catálisis, deberían aplicarse también a otros materiales", dice Moore.