Abastecer las necesidades energéticas del mundo con luz y agua

Mientras investigadores y tecnólogos de todo el mundo luchan por encontrar fuentes de energía más limpias, algunos químicos están recurriendo a la elegante solución de la naturaleza: la fotosíntesis. En la fotosíntesis, las plantas verdes usan la energía de la luz solar para descomponer el agua y el dióxido de carbono. Al manipular electrones y átomos de hidrógeno, oxígeno y carbono en una serie de reacciones químicas complejas, el proceso finalmente produce la celulosa y la lignina que forman la estructura de la planta, así como la energía almacenada en forma de azúcar. Entender cómo funciona este proceso, piensa Daniel Nocera , profesor de química en el MIT, podría conducir a formas de producir y almacenar energía solar en formas que sean prácticas para impulsar automóviles y proporcionar electricidad incluso cuando el sol no brilla.

Liberando energía: Daniel Nocera, profesor de química en el MIT, dice que la investigación básica sobre los procesos químicos de la fotosíntesis podría conducir a una sociedad impulsada por el agua y la luz solar.

Lo que se necesita son avances en nuestra comprensión de los procesos químicos fundamentales que hacen posible la fotosíntesis, según Nocera, una reconocida experta en fotosíntesis. Está estudiando los principios detrás de la fotosíntesis y aplicando lo que aprende para hacer catalizadores que usan energía solar para crear gas hidrógeno para celdas de combustible. El objetivo de Nocera: un mundo impulsado por la luz y el agua.

Revisión de tecnología : ¿Cuál es el mayor desafío relacionado con la energía en este momento?

Daniel Nocera : El verdadero desafío con la energía es el problema de escala. Vamos a tener una enorme necesidad de energía, y cuando empiece a mirar todos los números, solo hay un suministro que tiene escala, y es el sol. Pero sigue siendo un problema de investigación. Todas las tecnologías siguen líneas; luego hay un descubrimiento y una nueva línea que es mejor. Estamos en una línea muy predecible ahora en energía solar. La mayoría de las cosas de las que oye hablar son avances incrementales.

NIÑOS : Está estudiando la fotosíntesis para obtener ideas sobre cómo convertir la luz solar en un combustible químico (hidrógeno) para usar cuando el sol no brilla o para impulsar vehículos con pilas de combustible.

DN : Puede usar la electricidad directamente cuando sale el sol, en lugares que tienen sol. [Pero] necesitas almacenamiento. No hay absolutamente ninguna forma de evitarlo. Estoy destilando la esencia de la fotosíntesis para poder usarla.

NIÑOS : ¿Por qué la fotosíntesis es atractiva para encontrar una fuente de energía limpia?

DN : [La fotosíntesis] hace tres cosas. Captura la luz del sol y [en segundo lugar] la convierte en una corriente inalámbrica: las hojas están llenas de electricidad. Y tercero, almacena. Almacena la energía luminosa convertida en energía química. Y usa esa energía química para su proceso de vida, y luego almacena un poco.

Resulta [que] la fotosíntesis es una de las máquinas más eficientes del mundo para la conversión de energía. Pero no es excelente para almacenar energía porque no se construyó para eso [una planta]. Fue construido para vivir, crecer y reproducirse.

Y ese es el enfoque que adoptamos. ¿Podemos ahora hacer lo que la hoja está haciendo artificialmente, que es la captura, conversión y almacenamiento en enlaces químicos? Pero mi dispositivo no tiene que vivir: puede tomar mucha más de esa energía y ponerla en enlaces químicos.

NIÑOS : Y ha tenido cierto éxito al poner en práctica lo que ha aprendido.

DN : Hicimos un compuesto que produce hidrógeno usando luz. Tenemos algo que se puede disolver en solución, iluminarlo y el hidrógeno comienza a burbujear. No lo hizo de manera tan eficiente. Pero fue un gran avance porque tenía muchos conceptos nuevos para mostrar cómo se puede usar la luz solar para producir hidrógeno.

NIÑOS : ¿Cuáles son algunos de los problemas de investigación que está abordando y que espera que puedan conducir a un gran paso adelante en la energía solar?

DN : Algo en lo que realmente hemos estado trabajando es en [comprender] los principios de diseño sobre los que opera la fotosíntesis.

Una es que cuando [la fotosíntesis] divide el agua en hidrógeno y oxígeno, utiliza más de un electrón. Esta corriente que corre va de un electrón a la vez. Pero luego [la planta] los almacena y usa cuatro electrones a la vez. No sabemos muy bien cómo hacer reacciones de varios electrones. Ni siquiera tenemos teorías para describirlos.

Y luego tienes que gestionar los protones, y eso es lo que la biología hace realmente bien. Toma corriente eléctrica y luego la convierte en una corriente química, y lo que conduce la corriente química son los protones. Y luego envía átomos. Lo que hace una fotovoltaica es enviar electrones a un punto. La fotosíntesis en realidad no envía un electrón sino un átomo. Y eso es incluso más difícil de hacer porque los átomos son mucho más pesados ​​que los electrones. Entonces, hemos profundizado en la comprensión, ¿cómo se mueven los átomos [como los átomos de hidrógeno] desde el punto A al B para que puedan unirse entre sí? ¿Cómo los ensamblas para que se puedan unir?

NIÑOS : Ha escrito que la química probablemente desempeñará el papel más central de todas las ciencias a la hora de abordar los problemas energéticos. ¿Cómo resumiría el papel de la química?

DN : Para quienes cambian el juego, es realmente fácil. Hay tres.

Hacer que la energía fotovoltaica sea barata, que es mucha química. Es inventar nuevos materiales para abaratar la energía fotovoltaica.

Reemplace los metales nobles, como el platino, con abundantes metales. Porque no hay suficientes cosas. Cuando hablas de tanta escala, es mejor que uses cosas como hierro y manganeso. Es mejor que mires tu libro que dice cuáles son los elementos más abundantes en la faz de la tierra.

NIÑOS : Y esto es para pilas de combustible, y también para fotovoltaica.

DN : Energía fotovoltaica, todo. Ese es el verdadero problema de la tecnología que debe tener en cuenta. No es algo tan bueno, es 100% eficiente y, por cierto, estoy usando rutenio. Puedo usar rutenio ahora para enseñarme un principio, pero el rutenio está por debajo del hierro [en la tabla periódica]. Así que será mejor que me dé cuenta, ¿cómo puedo tomar todo lo que estoy aprendiendo con rutenio y aplicarlo al hierro?

NIÑOS : ¿Y el tercer cambio de juego?

DN : Agua dividida con luz. Haces esas tres cosas y tienes una economía energética completamente nueva. Es difícil para mí decir exactamente cómo será esa tecnología, porque falta la ciencia. Pero a principios del siglo XX, construimos toda una sociedad basada en un nuevo sistema energético. Y creo que, una vez que la energía solar esté instalada, con la ayuda del biocombustible, con un poco de ayuda del viento, inventaremos nuestra sociedad nuevamente a partir de una nueva fuente de energía.

esconder