Fotosíntesis artificiales. Fotosíntesis artificial: ¿una fuente alternativa de energía? La clorofila es más eficaz que Akinfeev, pero esto no es suficiente.

La fotosíntesis, la capacidad de las plantas, utilizando la energía de la luz solar, para oxidar el agua liberando oxígeno, es la adquisición evolutiva más importante de la naturaleza. Científicos de todo el mundo, incluidos Estados Unidos, Japón y la Unión Europea, han estado luchando durante más de 30 años para replicar tecnologías naturales y crear fotosíntesis artificial. Sin embargo, hasta ahora no ha sido posible replicar los logros de la naturaleza con tanta eficacia. Hasta hace poco, el principal problema de la fotosíntesis artificial era la velocidad de las reacciones. Los métodos más rápidos hasta ahora han logrado velocidades de reacción dos órdenes de magnitud inferiores a las que se producen en condiciones naturales.

Recientemente se supo que investigadores del Real Instituto de Tecnología (KTI) de Estocolmo lograron obtener un catalizador molecular que puede oxidar el agua en oxígeno tan rápidamente como las plantas. Los resultados de la investigación son extremadamente importantes y nos permiten crear tecnologías más eficientes para el uso de energía solar y otros tipos de energía renovable.

Un equipo de científicos dirigido por el profesor Licheng Sun ha creado un catalizador molecular de velocidad récord. Mientras que la fotosíntesis natural se produce a un ritmo de 100 a 400 transformaciones por segundo, el nuevo catalizador alcanza una velocidad de más de 300 transformaciones por segundo.

"Este es sin duda un récord mundial y un verdadero avance en la fotosíntesis artificial", explicó el profesor Licheng Sun.

Según el profesor, este hecho abre muchas nuevas oportunidades para las energías renovables: “Esta velocidad permitirá en el futuro crear equipos industriales para la producción de hidrógeno en el Sahara, donde abunda la luz solar”.

Dado el rápido aumento de los precios de los combustibles derivados del petróleo, el uso de un nuevo catalizador molecular sentará las bases para muchos cambios importantes. Puede utilizar la luz solar para convertir el dióxido de carbono en diversos combustibles, como el metanol. Se pueden desarrollar tecnologías para convertir directamente la energía solar en hidrógeno.

Licheng Sun añadió que él y sus colegas están trabajando duro e intensamente para que la tecnología sea lo suficientemente barata. "Estoy convencido de que dentro de diez años podría haber una tecnología basada en la investigación actual que sea lo suficientemente barata como para competir con los combustibles basados ​​en carbono", afirmó.

Licheng Sun trabajó en el campo de la investigación de la fotosíntesis durante casi veinte años, más de la mitad de su mandato en el Real Instituto de Tecnología. Basándose en su experiencia y en las opiniones de sus colegas, el profesor cree que un catalizador eficaz para la oxidación del agua es la clave para resolver los problemas de la energía solar.

En 1976, el Dr. Joseph Katz, de Aragon Nat., Illinois, EE.UU., creó la "hoja artificial", como la prensa denominó el descubrimiento de la fotosíntesis artificial.

En realidad, se trataba de una pila de combustible producida durante una de las etapas de la fotosíntesis, es decir, aquella en la que los fotones chocan con la clorofila, liberando electrones. El descubrimiento es una fuente de energía barata a partir de agua y clorofila, así como una fuente de hidrógeno, que se considera un combustible ideal. Al mismo tiempo, representa un paso importante hacia la síntesis artificial de sustancias orgánicas (hidratos de carbono y grasas).

La fotosíntesis es un proceso en el que, utilizando la luz como fuente de energía, las plantas sintetizan sustancias orgánicas complejas a partir de carbono derivado de sustancias inorgánicas simples (dióxido de carbono). La operación tiene lugar en orgánulos celulares especializados llamados cloroplastos, que contienen el pigmento verde clorofila necesario para la acción. El proceso es extremadamente complejo.

En la primera etapa de la fotosíntesis, la clorofila absorbe fotones de luz de la radiación solar y produce una cantidad equivalente de electrones en respuesta. Estos electrones conducen a la formación de enzimas necesarias para las etapas posteriores de la fotosíntesis. La clorofila devuelve electrones a las moléculas de agua mediante un proceso llamado fotólisis del agua, que involucra una de las enzimas formadas previamente y catalizada por estructuras que contienen átomos de manganeso y calcio. Las moléculas de agua se dividen en iones de hidrógeno y oxígeno; El hidrógeno participa en reacciones químicas que conducen a la formación de moléculas de ATP, y el oxígeno se libera a la atmósfera y es utilizado por innumerables organismos para respirar.

En la segunda etapa, las plantas absorben de la atmósfera y, utilizando una serie de enzimas en una cadena de operaciones complejas, construyen carbohidratos como sacarosa o almidón, y a partir de ellos otras sustancias orgánicas, a partir del carbono liberado por el CO2.

En este proceso, su eficiencia es importante: casi no se pierde nada, los ciclos bioquímicos funcionan con una velocidad y precisión que parecen inverosímiles, las enzimas se reciclan y reviven constantemente.

La fotosíntesis es un fenómeno que, a pesar de estar estudiado hasta el más mínimo detalle, no deja de ser un milagro.

Recientemente, un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) dirigido por el profesor Daniel G. Nocera anunció que ha producido lo que llaman la "primera hoja artificial": un mini panel solar del tamaño de un naipe, fabricado con un material económico, estable y resistente al desgaste, un material semiconductor recubierto con compuestos catalizadores que, cuando se sumerge en agua, imita el proceso de fotosíntesis con un alto grado de eficiencia.

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La fotosíntesis es la conversión de la energía vegetal en energía química. Bajo la influencia de la radiación electromagnética en el espectro visible, el agua y el dióxido de carbono se convierten en oxígeno molecular y glucosa, y el agua también se divide en hidrógeno y oxígeno.

Así, la fotosíntesis artificial tiene dos direcciones y tareas:

• Conversión de dióxido de carbono de la atmósfera (lucha contra el efecto invernadero, la contaminación y, como subproducto, combustible y otros compuestos).
• Producción de hidrógeno a partir de agua, que se utilizará para generar electricidad y como combustible.

La fotosíntesis artificial fue posible gracias al uso de sistemas supramoleculares artificiales de tamaño nanométrico.

Conversión de dióxido de carbono

El principio de funcionamiento del sistema de fotosíntesis artificial implica la conversión del dióxido de carbono atmosférico en compuestos orgánicos utilizando energía luminosa.

Las formaciones químicas resultantes se utilizarán en el futuro para producir combustible, diversos tipos de plásticos y productos farmacéuticos. Aparte de la energía solar, la reacción química no requiere fuentes de energía adicionales.

La tecnología de fotosíntesis artificial convierte el dióxido de carbono en metanol. El innovador sistema funciona con bacterias especiales y la energía de la luz solar. Este desarrollo permitirá a la humanidad reducir el uso de combustibles fósiles: carbón, petróleo y gas natural.

La tecnología de conversión de CO2 a escala industrial debería cambiar muchos procesos negativos en el planeta desde el punto de vista medioambiental. En particular, muchos expertos ven en esta dirección una forma de combatir el calentamiento global.

Opción de instalación de fotosíntesis artificial.

En el proceso de fotosíntesis natural, las hojas utilizan la energía del sol para procesar dióxido de carbono, que reacciona con el agua y forma la biomasa de la planta. En un sistema de fotosíntesis artificial, los nanocables hechos de silicio y dióxido de titanio reciben energía solar y entregan electrones a la bacteria Sporomusa ovata, gracias a la cual el dióxido de carbono se procesa y reacciona con el agua, produciendo diversas sustancias químicas, incluidos los acetatos.

La bacteria Escherichia coli genéticamente modificada es capaz de transformar acetatos y ácido acético en polímeros orgánicos complejos, que son los "componentes básicos" para la producción de polímeros RHB, isopreno y n-butanol biodegradable. Los compuestos resultantes se encuentran en productos químicos comunes, desde pinturas y barnices hasta antibióticos.

hoja artificial

Gracias al esfuerzo del científico inglés Julian Melchiorri, se desarrolló una hoja sintética capaz de realizar las funciones de la fotosíntesis. La hoja verde artificial utiliza cloroplastos obtenidos de plantas comunes. Según la tecnología, los cloroplastos se colocan en un medio proteico, gracias al cual se distribuyen uniformemente por todo el espesor del líquido y no se coagulan. Se supone que este desarrollo se utilizará en entornos urbanos para producir oxígeno. Es posible que la lámina sintética encuentre aplicación en el campo de la investigación espacial.

Esta simbiosis de elementos semiconductores con organismos vivos podría convertirse en la base para el desarrollo futuro de un sistema de fotosíntesis programable que produciría una amplia gama de sustancias orgánicas utilizando únicamente energía solar. Si el futuro sistema funciona correctamente, la humanidad podrá crear plástico y combustible literalmente de la nada.

Energía de la fotosíntesis

Al igual que los convertidores de energía solar naturales, los fotosistemas artificiales deben constar de los siguientes componentes:

• captador de radiación solar,
• centro de reacción,
• Un medio para almacenar la energía recibida.

La tarea más importante que se resuelve en los laboratorios es aumentar la eficiencia de la fotosíntesis artificial. Por tanto, una parte importante del trabajo se reduce a encontrar los materiales óptimos para crear cada uno de los bloques anteriores.

En la robótica, en particular en el campo de la creación de nanorobots, donde la cuestión del suministro de energía es una de las cuestiones clave, se espera un sistema de fotosíntesis artificial de alta eficiencia y tamaño nanométrico.

Las instalaciones compactas para generar energía a partir de la fotosíntesis sustituirán presumiblemente a los paneles solares y a los aerogeneradores en viviendas de consumo cero, y también tienen perspectivas de integración en sistemas domésticos inteligentes especializados en la autosuficiencia energética.

Si bien los paneles solares están limitados por los límites teóricos de su eficiencia, en algún lugar hay un lugar para la fotosíntesis artificial, la prima olvidada de los paneles solares.
Es muy probable que la gente siga quemando combustibles líquidos y sólidos, mientras que los paneles solares solo podrán proporcionarnos electricidad.

En 1912, Science publicó un artículo en el que el profesor Giacomo Chamician escribía lo siguiente: “El carbón ofrece energía solar a la humanidad en su forma más concentrada, pero el carbón es agotable. ¿Es realmente la energía solar fósil lo único que la vida y la civilización modernas pueden utilizar? Y más adelante en el artículo añade:
“Habrá edificios de cristal por todas partes; En su interior tendrán lugar procesos fotoquímicos, que hasta ahora han sido un secreto guardado por las plantas, pero que serán dominados por la industria humana, aprenderá a hacerlas producir frutos aún más abundantes que la naturaleza, ya que la naturaleza no tiene prisa, y la humanidad es todo lo contrario. La vida y la civilización continuarán mientras brille el sol."
El cambio climático está dando un nuevo impulso a la investigación sobre la fotosíntesis artificial. Las plantas hacen algo más útil: capturan dióxido de carbono. La mayoría de los modelos climáticos que nos sitúan dentro del límite del Acuerdo de París de 2 grados Celsius requieren grandes cantidades de bioenergía con captura y almacenamiento de carbono. Se trata de una tecnología de emisiones negativas en la que las plantas capturan dióxido de carbono, lo convierten en biocombustible y luego lo queman. El carbono se captura y secuestra bajo tierra.
La fotosíntesis artificial puede ser una fuente de carbono negativo de combustibles líquidos como el etanol. Los ambientalistas suelen recurrir a la "economía del hidrógeno" como solución para reducir las emisiones de carbono. En lugar de reemplazar toda nuestra infraestructura, que depende de combustibles sólidos y líquidos, simplemente reemplazamos el combustible. Combustibles como el hidrógeno o el etanol se pueden producir utilizando energía solar, como en la fotosíntesis artificial, por lo que seguiremos utilizando combustibles líquidos con menos daño al medio ambiente. La electrificación universal puede ser más compleja que simplemente cambiar de gasolina a etanol. Definitivamente vale la pena explorar la fotosíntesis artificial. Y en los últimos años se han logrado grandes avances. Se están invirtiendo grandes inversiones por parte del gobierno y de fundaciones filantrópicas en combustibles solares. Se están investigando varios procesos fotoquímicos diferentes, algunos de los cuales ya tienen el potencial de ser más eficientes que incluso las plantas.
En septiembre de 2017, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley describió un nuevo proceso que puede convertir el CO2 en etanol, que luego puede usarse como combustible, y etileno, necesario para fabricar plástico de polietileno. Esto marcó la primera demostración de la conversión exitosa de dióxido de carbono en combustibles y precursores de plástico.
Un artículo publicado recientemente en Nature Catalysis analiza una técnica en la que los paneles fotovoltaicos se conectan a un dispositivo que electroliza el dióxido de carbono. Luego, el microbio anaeróbico convierte el dióxido de carbono y el agua utilizando energía eléctrica en butanol.
Observaron que su capacidad para convertir la electricidad en productos deseados era casi 100% eficiente y que el sistema en su conjunto pudo alcanzar un 8% de eficiencia al convertir la luz solar en combustible. Esto puede parecer un número pequeño, pero el 20% es excelente para los paneles solares que convierten directamente la luz solar en electricidad; Incluso las plantas más productivas, como la caña de azúcar y el mijo, no obtienen más del 6% de eficiencia. Es decir, es comparable a los biocombustibles que se utilizan actualmente, como el bioetanol de maíz, ya que el maíz es menos eficiente a la hora de convertir la luz solar en energía almacenada.
Otras formas de fotosíntesis artificial se centran en el hidrógeno como posible combustible. Investigadores de Harvard dieron a conocer recientemente una versión impresionante de una "hoja biónica" que puede convertir la energía solar en hidrógeno. Una de sus principales ventajas es que su eficacia aumenta rápidamente si se le permite “respirar” dióxido de carbono puro. Si vamos a vivir en un futuro en el que se extraigan enormes cantidades de dióxido de carbono de la atmósfera, ahora podremos utilizarlo bastante bien. Aunque últimamente la gente no ha estado muy entusiasmada con la idea (la termodinámica del uso de electricidad para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno no siempre es ideal), todavía se están realizando investigaciones sobre pilas de combustible para automóviles e hidrógeno para calentar hogares, especialmente en Japón. .
Uno de los problemas de cualquier esfuerzo por crear fotosíntesis artificial es que cuantos más pasos se den en el proceso de conversión, más energía se perderá en el camino. El uso de aparatos electrificados con energía generada directamente a partir del sol será mucho más eficiente que cualquier plan para convertir la electricidad y el dióxido de carbono en combustible, que luego se quemará para regenerar la parte de la entrada eléctrica.
Además, desde un punto de vista ambiental y práctico, construir miles de millones de plantas artificiales puede ser mucho menos factible que plantar semillas para unos pocos biocombustibles bien elegidos. Por otro lado, estas plantas suelen necesitar una buena tierra, que se deteriora rápidamente debido a la presión agrícola. Ya se sospecha que los biocombustibles utilizan tierras que podrían alimentar a una población en crecimiento. Lo bueno de la fotosíntesis artificial es que puedes ver estas “plantas” prosperando en el desierto o incluso en el océano.
Como suele suceder, nos inspiramos en la naturaleza, pero comprenderla, dominarla e incluso mejorarla nos plantea un problema.