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Una 'hoja artificial' más verde
La fotosíntesis, la forma en que la naturaleza convierte la luz solar en combustible, ocurre a nuestro alrededor, desde las hojas de un árbol hasta la más pequeña brizna de hierba. Pero encontrar una manera de imitar la capacidad de manera económica y eficiente ha confundido a los ingenieros durante décadas.
Hojas que no son verdes: El silicio recubierto con catalizadores económicos divide el agua en hidrógeno y oxígeno dentro de un recipiente de agua iluminado.
Ahora los investigadores han dado un paso hacia esta elusiva hazaña, con un dispositivo que es incluso más eficiente que la fotosíntesis natural y se basa en materiales abundantes y de bajo costo.
Las células solares convencionales producen electricidad cuando un material fotovoltaico se expone a la luz. El nuevo dispositivo va un paso más allá y utiliza la electricidad resultante para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, que se pueden almacenar y utilizar para generar electricidad a través de una pila de combustible.
El nuevo dispositivo aún se encuentra en las primeras etapas de desarrollo de laboratorio, y quedan importantes desafíos antes de que pueda comercializarse.
Daniel Nocera , profesor del MIT, reveló detalles preliminares del dispositivo, que él llama la primera hoja artificial práctica, en la reunión nacional de la American Chemical Society en California el 27 de marzo. El dispositivo combina una celda solar disponible comercialmente con un par de catalizadores hechos de cobalto y níquel que dividen el agua en oxígeno e hidrógeno. Con este enfoque, un panel solar de aproximadamente un metro cuadrado bañado en agua podría producir suficiente hidrógeno para suministrar electricidad a una casa en un país en desarrollo tanto de día como de noche, dice Nocera.
Usando una celda solar de silicio de película delgada que convierte la energía en luz con una eficiencia del 7 por ciento, Nocera dice que su grupo logró una eficiencia del 5 por ciento para la conversión de la luz solar en hidrógeno. La fotosíntesis natural es menos del 1 por ciento eficiente para convertir la luz solar en energía.
El dispositivo no es el primero en intentar mejorar la fotosíntesis natural. Sin embargo, ofrece claras ventajas sobre los dispositivos anteriores, que utilizaban costosos catalizadores de metales preciosos para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, o realizaban la división del agua indirectamente con un dispositivo separado, que es menos eficiente y más caro.
El dispositivo de Nocera es el primero en utilizar materiales catalizadores abundantes y económicos que se incorporan a la célula solar. Solo tiene un trozo de silicio recubierto con catalizadores que puede poner en un vaso de agua y comienza a dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, dice.
El dispositivo es posible gracias a varios avances recientes. Nocera desarrolló por primera vez un catalizador de cobalto capaz de separar el oxígeno del agua en 2008, pero el catalizador no se pudo aplicar directamente al silicio porque bloquearía la luz solar entrante. Para su nuevo dispositivo, Nocera aplicó una fina película de cobalto al silicio que bloquea solo del 2 al 3 por ciento de la luz entrante. Antes de aplicar el catalizador, cubrió el silicio con una membrana delgada que lo protege de la oxidación pero permite que pase la corriente eléctrica.
Un nuevo catalizador a base de níquel también desarrollado recientemente por Nocera se aplica al otro lado del silicio para separar el hidrógeno del agua. Los catalizadores de níquel que ya se utilizan en otros dispositivos de separación de agua conocidos como electrolizadores serían rápidamente inutilizados por el fosfato y el borato presentes en el agua. Los resultados de las pruebas iniciales del dispositivo se han enviado para su publicación. Demuestran que puede funcionar durante al menos seis días sin una caída en la eficiencia, dice Nocera.
John Turner , investigador del Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, Colorado, dice que la capacidad de usar un catalizador de cobalto virtualmente transparente es un avance clave y la eficiencia reportada es prometedora. Está obteniendo la mayor parte de la eficiencia de la celda, dice Turner. Si [comienza con] una celda del 11 o el 12 por ciento, que está disponible comercialmente, debería poder hacerlo mucho mejor. Pero tendríamos que ver qué puede hacer una vez que obtenga una celda mejor.
Sin embargo, dice Turner, Nocera tendrá que demostrar tiempos de ejecución significativamente más largos: decenas de miles de horas. Pueden tener la durabilidad, pero deben seguir mostrándola, dice.
Sun Catalytix , una empresa fundada por Nocera, ahora trabajará con el gigante industrial indio Tata para comercializar la tecnología para uso residencial en países en desarrollo. Las empresas ya están trabajando juntas para desarrollar otro dispositivo de fotosíntesis artificial desarrollado previamente por Nocera. Este dispositivo inicial se basará en un panel solar de 100 vatios y requerirá un electrolizador separado conectado por cables al panel. Debería venderse por alrededor de $ 100.
El dispositivo también tendría que emparejarse con una celda de combustible para convertir el hidrógeno almacenado en electricidad. Nocera dice que espera entregar este dispositivo inicial de producción de hidrógeno con energía solar a Tata a fines de 2011. La nueva hoja artificial debería ser menos costosa, pero podrían pasar otros dos años y medio antes de que un prototipo comercial esté listo. Dice Nocera.
James Stevens, investigador de Dow Chemical, dice que la tecnología aún tiene un largo camino por recorrer. Hay mucho por hacer antes de que esto sea práctico, dice. La eficiencia es baja y los costos de capital de estas cosas son muy altos.
Otros problemas prácticos, como almacenar de forma segura el gas hidrógeno y evitar que el sistema se congele en temperaturas bajo cero, también son desafíos importantes, dice Stevens. No estamos realmente interesados en el estado de la técnica tal como está ahora, dice.