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La carrera para inventar la hoja artificial
En este extracto de su nuevo libro Domar el sol , Varun Sivaram sigue los caminos de investigación de dos científicos rivales decididos a encontrar una manera de extraer combustible de la nada. 21 de febrero de 2018
Santu Mustonen
Desde principios de la década de 1970, los científicos han buscado desarrollar una tecnología que pudiera crear combustibles líquidos a partir de dióxido de carbono, agua y luz solar de manera mucho más eficiente que la fotosíntesis, el proceso por el cual las plantas aprovechan la luz solar para producir carbohidratos y almacenar energía. Lo llaman la hoja artificial.
Una hoja artificial comercialmente viable resolvería varios de los desafíos más complicados en energía limpia. Crearía una forma de almacenar energía solar de forma directa y asequible mientras se produce un combustible neutral en carbono que podría transformar el sector del transporte, incluso ofreciendo una forma de hacer que los viajes aéreos de larga distancia sean ambientalmente sostenibles.
Esta historia fue parte de nuestra edición de marzo de 2018
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Los científicos han logrado avances lentos pero considerables en los dos pasos cruciales del proceso: desarrollar catalizadores que utilicen la energía solar para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno, y crear otros que puedan convertir el hidrógeno y el dióxido de carbono en un combustible denso en energía. El truco restante es combinar estas tareas de una manera asequible y escalable, utilizando materiales baratos y abundantes.
En el siguiente extracto de su nuevo libro, Varun Sivaram, físico y miembro del Consejo de Relaciones Exteriores, explora el progreso reciente y los caminos de investigación divergentes de dos científicos rivales decididos a finalmente entregar y comercializar la hoja artificial: Nathan Lewis en Caltech y Daniel Nocera en la Universidad de Harvard.
Recientemente, en una cálida tarde de Beverly Hills, los miembros del Consejo de Relaciones Exteriores se reunieron en el Peninsula Hotel para escuchar a un científico compartir su visión para crear una hoja artificial.
Entre la colección de ejecutivos y exembajadores, la mayoría no estaba segura de qué esperar. Algunos intercambiaron miradas nerviosas cuando presenté las credenciales del orador, tal vez preparándose para una conferencia de física abstrusa.
Pero mi invitado esa noche, Nate Lewis, profesor del Instituto de Tecnología de California (Caltech), es una rareza entre los científicos por su capacidad para condensar conceptos complejos en fragmentos de sonido memorables y entretejer sus diversos hilos de investigación en una narrativa convincente. Lewis, cuyo cabello gris es testimonio de las décadas que pasó persiguiendo una hoja artificial, comenzó sus comentarios sobre el futuro de la energía solar con este estribillo conciso: ¿No se puede almacenar? No hay electricidad después de las cuatro.
Esa falla, argumentó con su voz baja y arrastrada, significa que necesitamos desarrollar con urgencia tecnologías capaces de almacenar la energía del sol en un combustible que pueda usarse cuando sea necesario. Su ruta preferida, un generador de combustible solar integrado, es un dispositivo elegante que absorbe agua y luz solar y escupe hidrógeno y oxígeno gaseosos. Ese hidrógeno se puede usar para alimentar vehículos, generar electricidad para la red o servir como materia prima para fabricar combustibles más complejos como la gasolina.
Lewis, también investigador principal en el Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial, financiado con fondos federales, quiere que su hoja artificial supere a las mejores plantas de la naturaleza. Las plantas, a pesar de todo su éxito, en realidad son terribles para convertir la luz solar en energía. Incluso si no sabe nada sobre cómo funciona la fotosíntesis, puede decir por el color verde de las hojas que la conversión de energía totalmente eficiente podría no ser la principal prioridad de una planta (las hojas negras serían mucho mejores para absorber los rayos del sol). Los cloroplastos verdes en las células de las hojas funcionan lo suficientemente bien para las necesidades de una planta. Realizan reacciones químicas complejas que, impulsadas por la energía del sol, convierten el dióxido de carbono y el agua en los azúcares que almacenan energía necesarios para actividades como la supervivencia y la reproducción. Cuando todo está dicho y hecho, las plantas más eficientes convierten apenas el 1 por ciento de la luz solar entrante en energía almacenada.
No obstante, la vegetación ofrece un modelo genérico para convertir la luz solar en combustible. Al principio de la fotosíntesis, las plantas dividen el agua y generan hidrógeno y oxígeno. El oxígeno pasa a la atmósfera, mientras que el hidrógeno alimenta las reacciones químicas posteriores.
La forma en que las plantas logran esta división del agua es instructiva. La primera lección es que separan las dos mitades de la reacción química de división del agua, es decir, las semirreacciones que producen hidrógeno y oxígeno. La evolución no fue pirómana, y esta elección de diseño evita que el hidrógeno entre en combustión espontánea en presencia de oxígeno. En segundo lugar, la planta contiene catalizadores o moléculas que aceleran las semirreacciones. En tercer lugar, las plantas separan las dos semirreacciones con una membrana que no solo mantiene separados el hidrógeno y el oxígeno, sino que también permite que los iones cargados pasen a través de ella, lo cual es importante para evitar un desequilibrio de carga.
Los investigadores que desarrollan generadores de combustible solar también necesitan armar un conjunto similar de componentes. Dos materiales conocidos como fotoelectrodos se sumergen en agua y absorben la energía de la luz para realizar cada una de las dos semirreacciones para dividir el agua. Dos catalizadores aceleran cada una de esas medias reacciones. Y una membrana evita que explote todo el artilugio, llamado célula fotoelectroquímica (PEC).
Pero las similitudes terminan ahí. Como le gusta decir a Lewis, después de inspirarse en las aves emplumadas, los humanos se deshicieron de las plumas e inventaron el 747. A diferencia de las plantas, los generadores de combustible solar del futuro probablemente no usarán dos fotoelectrodos verdes que compiten entre sí para absorber la misma parte de el espectro del sol. Más bien, uno de ellos, el ánodo, que crea oxígeno a partir del agua, debe aprovechar los colores de la luz hacia el extremo azul del espectro y dejar que los colores hacia el extremo rojo del espectro pasen para ser absorbidos por el cátodo de abajo, que produce hidrógeno.
Producir energía asequible requerirá materiales extremadamente baratos y abundantes. Pero eso no es todo lo que tiene que hacer la PEC. Para tener éxito, no solo debe ser económico, sino también seguro, robusto y eficiente. Desafortunadamente, hasta ahora los investigadores solo han logrado crear dispositivos con no más de tres de esas cuatro características.
Comience con seguridad. Para evitar que el hidrógeno y el oxígeno se combinen y exploten, un PEC necesita una membrana que separe las dos semirreacciones. Pero la semirreacción que produce oxígeno a partir del agua también la vuelve ácida, mientras que la semirreacción que produce hidrógeno convierte el agua cercana en básica. Los científicos tienen que encontrar materiales para fotoelectrodos y catalizadores que no se disuelvan ni se corroan en medios ácidos o básicos. Esa demanda descarta muchos materiales baratos que no sobrevivirían en tales condiciones. Por lo tanto, fabricar un generador de combustible solar con materiales baratos y equiparlo con una membrana para garantizar la seguridad puede hacer que falle la prueba de robustez.
A continuación, considere la cantidad de energía solar que el dispositivo convierte en energía almacenada como hidrógeno. Esa eficiencia depende de qué tan bien los fotoelectrodos absorban colectivamente la luz solar y qué tan rápido las dos semirreacciones dividan el agua. Con fotoelectrodos y catalizadores cuidadosamente elegidos, un generador de combustible solar teóricamente puede lograr una eficiencia de más del 30 por ciento. Los costosos semiconductores ofrecen una variedad de materiales para elegir, pero los compuestos más baratos presentan un menú mucho más limitado. De manera similar, los catalizadores de metales preciosos como el platino son excelentes para acelerar las reacciones, pero son raros y costosos. El equipo interdisciplinario de investigadores que lideró Lewis procedió a arrojar un poder computacional masivo al problema de encontrar materiales que pudieran satisfacer los cuatro criterios, simulando sistemáticamente miles de compuestos y probando los candidatos más prometedores en el laboratorio.
La vieja intuición científica también desempeñó un papel importante en el proceso de investigación, al igual que un poco de suerte. Destacan dos ejemplos. Primero, Lewis y sus colaboradores se inspiraron en los catalizadores utilizados en las refinerías de petróleo para eliminar el azufre que contamina el aire de los productos derivados del petróleo. Estos catalizadores son baratos y se destacan por acelerar la semirreacción que produce hidrógeno. (Desafortunadamente, los investigadores todavía están buscando un catalizador barato y eficaz para la semirreacción que produce oxígeno).
En segundo lugar, los investigadores del laboratorio de Lewis cubrieron accidentalmente sus muestras con una fina capa de dióxido de titanio y encontraron un resultado sorprendente. El dióxido de titanio es el ingrediente clave del protector solar, que protege la piel al bloquear los rayos ultravioleta de la luz solar. Aquí, sin embargo, el recubrimiento ultrafino desempeñó un papel totalmente diferente, protegiendo a los fotoelectrodos y catalizadores de ser devorados por la solución básica.
Juntos, la información prestada de la industria petrolera y el descubrimiento accidental de protector solar permitieron a Lewis y a sus colegas investigadores de Caltech lograr un gran avance. En 2015, anunciaron un generador de combustible solar integrado que tenía una eficiencia superior al 10 por ciento en la conversión de la luz solar en combustible de hidrógeno. La eficiencia en sí no fue un gran salto: otros habían alcanzado una eficiencia del 22 por ciento. Pero el dispositivo Caltech usó catalizadores baratos y abundantes en la Tierra, y pudo bombear hidrógeno durante dos días de funcionamiento continuo. Como prueba de concepto, insinuó la posibilidad de un producto comercialmente viable en el futuro.
Siempre y cuando esta tecnología conduzca a un producto comercial, es poco probable que se parezca en nada a las hojas que lo inspiraron. Lewis imagina una lona, desplegada sobre una gran extensión para absorber los rayos del sol, con tuberías de drenaje para recoger el hidrógeno que produce. Eso está muy lejos del prototipo de un centímetro cúbico que creó su equipo, pero, al escuchar la visión de Lewis, es difícil no soñar en grande.
El Santo Grial
Al otro lado del país de Nate Lewis, otro científico aclamado también está en una búsqueda para comercializar una hoja artificial. Al igual que Lewis, Dan Nocera de la Universidad de Harvard combina hábilmente la ciencia y la comunicación, y se convierte en una celebridad científica, algo así como un Carl Sagan para los combustibles solares. Tiene una habilidad especial para conectarse con audiencias diversas, desde reuniones científicas de la Sociedad Estadounidense de Física hasta las cumbres de codearse del Instituto Aspen. Si su multitud está cenando un bistec, los calentará preguntando: ¿Qué acabas de masticar? ¡El sol! La carne era solo la energía de la luz del sol.
Aunque tanto Lewis como Nocera comparten canas, la capacidad de captar audiencias amplias y el mismo supervisor cuando estaban en la escuela de posgrado, sus enfoques para realizar una hoja artificial son dramáticamente diferentes, lo que da como resultado una enérgica rivalidad profesional. Mientras que Lewis se enfoca con láser en la producción de hidrógeno, Nocera quiere saltarse el hidrógeno y construir un dispositivo que aproveche la luz solar para producir directamente combustibles convenientes que contengan carbono que puedan reemplazar de inmediato los productos derivados del petróleo de hoy.
Durante un tiempo, Nocera se contentó con centrarse solo en la producción de hidrógeno. En 2011, captó la atención del mundo científico al dejar caer lo que parecía una estampilla postal oscura en un vaso de agua, lo que provocó que el hidrógeno y el oxígeno burbujearan por ambos lados. A pesar de su simplicidad, su hoja artificial fue la culminación de 30 años de investigación, remontándose a sus días como estudiante graduado en Caltech. Habiendo hecho el gran avance, Nocera se dispuso a llevar su nueva tecnología al mercado.
Desafortunadamente, estaba a punto de aprender la lección que casi todas las demás empresas emergentes de energía limpia de Silicon Valley han aprendido: la parte realmente difícil viene después haciendo un emocionante descubrimiento de laboratorio. Más tarde se lamentaría, hice un santo grial de la ciencia. ¡Estupendo! Eso no significa que hice un santo grial de la tecnología. Y eso es lo que los científicos y los profesores no entienden. Su puesta en marcha, Sun Catalytix, terminó alejándose del combustible solar para desarrollar baterías para almacenar energía para la red eléctrica (Lockheed compró la compañía por una cantidad no revelada en 2014).
Pero la experiencia no le ha impedido perseguir el santo grial, por lo que ahora, Nocera persigue el objetivo aún más difícil de aprovechar la luz solar, el agua y el dióxido de carbono para producir combustibles líquidos a base de carbono. Los posibles beneficios de esta tecnología son convincentes. Los combustibles líquidos ya cuentan con enormes redes de infraestructura global, que incluyen instalaciones de almacenamiento, oleoductos transcontinentales y superpetroleros, sin mencionar las omnipresentes estaciones de servicio en todo el mundo. Un dispositivo que podría transformar la luz solar en combustibles que ya se usan comúnmente podría aprovechar esa infraestructura.
Lewis sostiene que la ruta más prometedora para fabricar combustibles a base de carbono a partir de la luz solar implica el hidrógeno generado por energía solar como intermediario. A partir de ahí, los procesos industriales bien entendidos podrían combinar hidrógeno con dióxido de carbono, capturado de fábricas y centrales eléctricas que queman combustibles fósiles, para producir una gama de combustibles útiles conocidos como hidrocarburos. Una refinería solar podría crear la misma gama de combustibles de hidrocarburos que se producen hoy en día en las refinerías de petróleo y luego se emplean como combustibles para el transporte o se convierten en una gama de productos, desde plásticos hasta productos farmacéuticos.
Tan futurista como suena todo eso, Nocera quiere hacer algo aún más difícil. Quiere pasar por alto la producción intermedia de hidrógeno y usar luz solar, agua y dióxido de carbono para directamente producir combustibles que contienen carbono. Si esta maniobra pudiera realizarse de manera rentable y a gran escala, sería el método de un solo disparo más eficiente para almacenar la luz solar en los combustibles más versátiles conocidos por la humanidad.
Desde un punto de vista científico, esta tarea parece casi imposible. Dividir el agua para generar hidrógeno y oxígeno ya es bastante difícil. Pero crear el hidrocarburo más simple, el metano de un solo carbono, que constituye el gas natural, es una propuesta mucho más compleja. Eso requerirá el descubrimiento de aún más materiales nuevos para absorber la luz y catalizar reacciones químicas. Como resultado, una tecnología comercial para fabricar combustibles a base de carbono directamente a partir de la energía solar está mucho más lejos que una que pueda producir hidrógeno.
Sin embargo, en los últimos tres años, Nocera ha hecho una serie de avances improbables. El primero fue un cambio conceptual: en lugar de usar dispositivos hechos por el hombre para vencer a la fotosíntesis, ¿por qué no aprovechar la naturaleza? Nocera sabía que la naturaleza usa enzimas complejas como catalizadores en la fotosíntesis para convertir la luz solar en azúcares complejos. Se dio cuenta de que las bacterias modificadas genéticamente podían comportarse de manera similar después de haber sido equipadas con un arsenal de potentes enzimas.
Entonces, en 2015, Nocera construyó un dispositivo híbrido que primero dividió el agua usando un catalizador inorgánico para producir hidrógeno, como lo hacen otras tecnologías de hojas artificiales. Luego, el mismo dispositivo alimentó el hidrógeno, junto con el dióxido de carbono puro, a las bacterias, que produjeron combustibles líquidos. Pero aunque los insectos eran excelentes para convertir el dióxido de carbono y el hidrógeno en una variedad de combustibles, eran incompatibles con el catalizador inorgánico, que producía formas de oxígeno reactivo que destruían el ADN de la bacteria.
Luego, en 2016, Nocera y sus colegas publicaron un artículo en la revista Ciencias anunciando triunfalmente un nuevo catalizador, hecho de una aleación de cobalto-fósforo. No solo dejó a las bacterias ilesas, sino que también se autoensambló fuera de la solución, imitando los catalizadores de autocuración que se encuentran en la naturaleza. Con el catalizador y las bacterias trabajando juntos en armonía, el dispositivo de Nocera pudo lograr una eficiencia del 10 por ciento en la conversión de la luz solar en combustibles alcohólicos. Nocera informó que los insectos deberían poder producir varias otras moléculas que contienen carbono para una variedad de aplicaciones, desde alimentar vehículos hasta producir plásticos. Y siguió con esto al demostrar en 2017 que un enfoque híbrido de catalizador más bacterias podría fijar el nitrógeno en la atmósfera para producir amoníaco. Ese es un descubrimiento tentador porque más del 1 por ciento de la energía global se usa hoy en día en la producción de amoníaco para fertilizar cultivos y alimentar al mundo. El prototipo de Nocera sugiere que, algún día, la luz del sol podría impulsar ese proceso en lugar de los combustibles fósiles.
Aún no se sabe si la decisión de Nocera de aprovechar los organismos vivos es una buena idea. De hecho, las bacterias son bastante meticulosas, sensibles a la acidez y la temperatura de su entorno y, por lo tanto, difíciles de diseñar. El dinero inteligente, por ahora, está en dispositivos que aprovechan la luz solar para producir hidrógeno, avanzando más rápido que aquellos que intentan producir directamente combustibles a base de carbono. Pero, al combinar materiales modernos con la magia de la naturaleza, los investigadores aún pueden saltarse el hidrógeno simple en la búsqueda de una ruta viable hacia el último santo grial: reemplazos 100 por ciento limpios y directos para los combustibles fósiles.
Extraído de Domar el sol: innovaciones para aprovechar la energía solar y alimentar el planeta por Varun Sivaram, publicado por MIT Press. 2018 Instituto Tecnológico de Massachusetts. Reservados todos los derechos.