The Ideal Fuel

En un día soleado en el campus de la Universidad de California, Berkeley, el susurro pacífico de los árboles de eucalipto desmiente la furiosa actividad química que ocurre dentro de cada hoja. A través de la fotosíntesis, las hojas usan la energía de la luz solar para convertir el agua y el dióxido de carbono en sustancias que las plantas necesitan, emitiendo solo oxígeno en el proceso. En un laboratorio cercano, el químico Peidong Yang está construyendo un sistema artificial que hace lo mismo, utilizando matrices de nanocables junto con bacterias modificadas. Si alguna vez se aumenta la escala de algo como esto, se produciría una mejor versión de los combustibles que usamos hoy en día, uno que no aumente la cantidad total de dióxido de carbono en el aire.

Peidong Yang

La fotosíntesis ha sido muy difícil de imitar en el laboratorio. En la década de 1970, investigadores de la Universidad de Tokio demostraron por primera vez que un dispositivo alimentado por energía solar podía hacer lo que hacen las plantas en el primer paso de la fotosíntesis: dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Después de un estallido inicial de actividad, el campo se estancó. Pero ha renacido en varios laboratorios gracias a un enfoque renovado sobre el problema de la energía y el cambio climático, y debido a la aparición de nuevas tecnologías.

1. Este pequeño reactor lleno de precursores químicos y agua se calienta en un horno para hacer crecer nanocables de dióxido de titanio.

2. Los nanocables de silicio se cultivan a partir de precursores gaseosos que fluyen a través de este reactor.

3. Los nanocables de silicio también se pueden cultivar en superficies más grandes como esta oblea. Se corta en pedazos que sirven como electrodos dentro del dispositivo.

4. Las bacterias en esta incubadora se sembrarán en un electrodo para actuar como catalizadores vivos.

Esta historia fue parte de nuestra edición de enero de 2016

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El laboratorio de Yang está mejorando un diseño básico que se desarrolló en la década de 1970 en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable. Tiene dos electrodos sensibles a la luz recubiertos con un catalizador (Yang usa níquel, que es económico) que juntos dividen el agua en oxígeno e hidrógeno. En la configuración original, los electrodos eran planos, pero en su lugar, Yang utiliza conjuntos de nanocables hechos de silicio y otros semiconductores. Debido a que los nanocables tienen 100 veces el área de superficie de los electrodos planos que podrían caber en el mismo espacio, pueden contener más catalizador, lo que aumenta en gran medida la eficiencia de la reacción.

Sin embargo, dividir el agua es la mitad fácil de la fotosíntesis. Las plantas van más allá y utilizan el hidrógeno del agua en reacciones que convierten el carbono del aire en moléculas complejas. Yang quiere hacer esto también. Después de todo, nuestros aviones y automóviles no funcionan con hidrógeno; necesitan gasolina y otros combustibles químicamente complejos.

5. Dentro de este dispositivo, la luz impulsa una reacción en la que el agua y el dióxido de carbono se convierten en combustible. La tubería permite que el producto secundario de la reacción — oxigeno puro — escapar.

6 y 7. Algunas bacterias en el sistema producen metano, que puede usarse directamente como combustible; otros producen acetato, que se alimenta a otras bacterias modificadas genéticamente para fabricar combustibles y plásticos. Aquí, diseñado E. coli alimentarse de acetato.

8. Se utilizan herramientas analíticas, incluidos espectrómetros de masas, para verificar que las bacterias produjeron la sustancia química deseada. Hasta ahora, el sistema es tan eficiente como la fotosíntesis natural.

Para catalizar esa parte del proceso, Yang se basa en otra tecnología que no existía en los años 70. Él y sus colegas han demostrado que las bacterias modificadas genéticamente ubicadas en medio de los nanocables funcionan como catalizadores vivos. Toman el hidrógeno separado del agua y lo combinan con dióxido de carbono para producir metano y otros hidrocarburos que se necesitan para combustibles o plásticos. Los bichos hacen esto con enzimas naturales que llevan a cabo una serie de reacciones que los químicos aún no han podido dominar con catalizadores sintéticos.

El sistema de Yang actualmente iguala la eficiencia de la fotosíntesis, almacenando menos del 1 por ciento de la energía capturada de la luz solar en forma de enlaces químicos. Eso no está mal para una demostración de prueba de concepto, pero será esencial hacerlo más eficiente y, por lo tanto, rentable.

Yang espera eventualmente cambiar a catalizadores sintéticos en lugar de bacterias, que son difíciles de mantener con vida. Pero es posible que no sea necesario eliminar por completo los errores, dada la necesidad urgente de combustibles limpios. Si tiene que ser un enfoque híbrido, está bien, dice.

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