La carrera para crear la hoja artificial

Desde comienzos de los años 70, los científicos están en una cruzada para desarrollar una tecnología que pueda crear combustibles líquidos a partir de dióxido de carbono, agua y luz solar de forma mucho más eficiente que la fotosíntesis, el proceso a través del cual las plantas emplean la luz solar para producir carbohidratos y almacenar energía. Le dicen la hoja artificial.

Una hoja artificial comercialmente viable podría resolver varios de los desafíos más complejos en la energía limpia. Crearía una forma de almacenar energía solar de forma directa y accesible mientras se produce un combustible carbono neutro que podría transformar el sector del transporte, incluso ofreciendo una forma de hacer sustentable a nivel ambiental los viajes aéreos de larga distancia. Los científicos hicieron un progreso lento pero considerable en los dos pasos cruciales del proceso: desarrollando catalizadores que usan energía solar para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno, y creando otros que pueden convertir hidrógeno y dióxido de carbono en un combustible denso en energía. El truco que queda es combinar estas tareas de una forma accesible y escalable, usando materiales baratos y abundantes. En el siguiente extracto de su nuevo libro, Varun Sivaram, médico y miembro del Consejo de Relaciones Exteriores, explora el progreso reciente y los caminos divergentes de investigación de dos científicos rivales determinados a finalmente entregar y comercializar la hoja artificial: Nathan Lewis en Caltech y Daniel Nocera en la Universidad de Harvard. En una calurosa tarde en Beverly Hills, los miembros del Consejo de Relaciones Exteriores se reunieron en el Hotel Peninsula para escuchar a un científico compartir su visión de la creación de una hoja artificial. Entre la colección de ejecutivos y exembajadores, la mayoría no estaban seguros de qué esperar. Un par de miradas nerviosas cuando presenté las credenciales de los oradores, quizá esperando una lectura médica abrasiva. Pero mi invitado de esa noche, Nate Lewis, profesor del Instituto de Tecnología de California, es una rareza entre científicos por su habilidad para condensar conceptos complejos en frases memorables y entretejer sus varias líneas de investigación en una narrativa atractiva. Lewis empezó su charla sobre el futuro de la energía solar con este conciso refrán: “¿No puede almacenar? Sin energía después de las cuatro”. Esa falla, argumentó casi arrastrando las palabras, significa que necesitamos de forma urgente desarrollar tecnologías capaces de almacenar la energía del sol en un combustible que puede ser usado cuando se necesita. Su ruta preferida, un generador solar de combustible integrado, es un aparato elegante que toma el agua y la luz solar y devuelve hidrógeno gaseoso y oxígeno. Ese hidrógeno puede ser usado para encender vehículos, generar electricidad para la red o servir como materia prima para hacer combustibles complejos como gasolina. Lewis, también investigador principal en el Centro Conjunto de Fotosíntesis Artificial, quiere que su hoja artificial sobrepase la performance de las mejores plantas de la naturaleza. Las plantas, a pesar de su éxito, en realidad son terribles convirtiendo la luz en energía. Incluso aunque uno no sepa nada sobre cómo funciona la fotosíntesis, ya por el color verde uno se puede dar cuenta de que la conversión energética eficiente no es la principal prioridad de la planta (las hojas negras serían mucho mejores absorbiendo los rayos del sol). Los cloroplastos verdes en las células de las hojas funcionan lo suficientemente bien como para las necesidades de la planta. Realizan complejas reacciones químicas que, alimentadas por la energía del sol, convierten el dióxido de carbono y el agua en las azúcares almacenadoras de energía necesarias para actividades como sobrevivir y reproducirse. Cuando se dice y hace todo eso, las plantas más eficientes convierten apenas 1 por ciento de la luz solar en energía almacenada. Sin embargo, 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 va a la atmósfera, mientras que el hidrógeno alimenta las reacciones químicas consecuentes. La forma en la cual las plantas logran esta división del agua es instructiva. La primera lección es que ellas separan las dos partes de la reacción química para dividir el agua, una parte produce hidrógeno y la otra oxígeno. La evolución no es un proceso incendiario sino que sucede por una razón. En este caso, el diseño de las reacciones químicas separadas evita que el hidrógeno arda espontáneamente en presencia del oxígeno. Segundo, la planta contiene catalizadores o moléculas que aceleran esas reacciones. La tercera es que las plantas separan las dos reacciones para dividir el agua a través de una membrana que no solo mantiene separados el hidrógeno y el oxígeno, también permite el paso de iones cargados, un paso importante para evitar un desajuste de carga.los investigadores que desarrollan gene-

radores solares de combustible deben diseñar un conjunto similar de componentes. Dos materiales conocidos como fotoelectrodos son sumergidos en agua y absorben la energía de luz para realizar cada una de las dos semirreacciones para dividir el agua. Dos catalizadores aceleran cada una de esas reacciones. Y una membrana evita que todo el aparato —llamado “célula fotoelectroquímica” (PEC, en inglés)— explote. Pero las similitudes terminan ahí. Como le gusta decir a Lewis, luego de inspirarse en las aves con plumas, los humanos dejaron las plumas e inventaron el 747. A diferencia de las plantas, los generadores solares de energía del futuro probablemente no vayan a usar dos fotoelectrodos verdes que compiten entre sí para absorber la misma parte del espectro del sol. En cambio, uno de ellos —el ánodo, que crea oxígeno desde el agua— debería usar los colores de la luz hacia el final azul del espectro, y dejar que los colores del final rojo pasen para ser absorbidos por el cátodo inferior que produce hidrógeno. Producir energía accesible requerirá materiales extremadamente baratos y abundantes. Pero eso no es todo lo que PEC tiene que hacer. Para tener éxito necesita realmente no solo ser barato, sino también seguro, robusto y eficiente. Desafortunadamente, hasta ahora los investigadores solo se las arreglaron para crear aparatos con no más de tres de esas cuatro características. Empecemos por la seguridad. Para evitar que el hidrógeno y el oxígeno se combinen y exploten, un PEC necesita una membrana que separa las dos semirreacciones. Pero la semirreacción que produce oxígeno a partir del agua puede dar como resultado agua ácida, mientras que la semirreacción que produce hidrógeno puede dar como resultado agua casi alcalina. Así que los científicos tienen que encontrar materiales para los fotoelectrodos y los catalizadores que no se disuelvan ni corroan en medios ácidos o alcalinos. Este requisito descarta muchos materiales económicos incapaces de sobrevivir en estas condiciones. Por lo tanto, un generador de energía solar hecho con materiales económicos y equipado con una membrana que garantice la seguridad del dispositivo podría no superar la prueba de fuerza. Luego, hay que considerar la cantidad de energía del sol que el aparato convierte en energía almacenada como hidrógeno. Esa eficiencia depende de cuán bien los fotoelectrodos absorban de forma colectiva la luz solar y cuán rápido las dos semirreacciones dividan el agua. Con fotoelectrodos y catalizadores cuidadosamente elegidos, un generador solar puede, en teoría, lograr más de un 30 por ciento de eficiencia. Los semiconductores caros ofrecen un menú diverso de materiales entre los cuales elegir, pero son raros y costosos. El equipo interdisciplinario de investigadores que Lewis dirige procedió a sumarle un enorme poder informático al problema de encontrar materiales que puedan satisfacer los cuatro criterios, simulando de forma sistemática miles de componentes y probando a los candidatos más prometedores en el laboratorio. La vieja intuición científica también jugó un rol importante en el proceso de investigación —con una pizca de suerte—. Hay dos ejemplos que sobresalen. Primero, Lewis y sus colaboradores encontraron inspiración en los catalizadores usados en refinerías petroleras para desnudar el aire —contaminar el sulfuro de los productos petroleros—. Estos catalizadores son baratos y buenos para acelerar la semirreacción que produce hidrógeno (desafortunadamente, los investigadores todavía están buscando un catalizador barato y efectivo para la media-reacción que produce oxígeno). Segundo, los investigadores del laboratorio de Lewis, de forma accidental, cubrieron sus muestras con una capa fina de dióxido de titanio y encontraron un resultado sorprendente. El dióxido de titanio es el ingrediente clave en el protector solar, que cumple su función bloqueando los rayos ultravioletas del sol. Aquí, sin embargo, la cobertura ultrafina jugó un rol completamente diferente, protegiendo a los fotoelectrodos y catalizadores de ser corroídos por la solución básica. Juntos, el enfoque de la industria petrolera y el descubrimiento accidental del protector solar les permitieron a Lewis y los investigadores de Caltech lograr un avance. En 2015, anunciaron un generador solar integrado de combustible que era más de 10 por ciento eficiente convirtiendo la luz solar en combustible de hidrógeno. La eficiencia en sí misma no era un gran salto; otros lograron una eficiencia de 22 por ciento. Pero el aparato de Caltech usaba catalizadores baratos y abundantes en la tierra, y fue capaz de bombear hidrógeno durante más de dos días de operación continua. Como prueba de concepto, mostró la posibilidad de un producto comercialmente viable hacia adelante. En caso de que esta tecnología derive en un producto comercial, es poco probable que luzca como las hojas que lo inspiraron. Lewis tiene la visión de un toldo, desplegado en una vasta extensión para absorber los rayos del sol, con tubos para recoletar el hidrógeno que produce. Esto es algo muy lejano al prototipo de un centímetro cúbico que creó su equipo, pero, escuchando la visión de Lewis, es difícil no soñar en grande.

El cáliz sagrado

Del otro lado del país de donde está Nate Lewis, otro científico aclamado está en la búsqueda de comercializar una hoja artificial. Como Lewis, Dan Nocera, en la Universidad de Harvard, combina con destreza ciencia y comunicación, actuando como una celebridad de la ciencia; una especie de Carl Sagan de los combustibles solares. Tiene la habilidad de conectar con audiencias diversas, desde las reuniones científicas de la Sociedad Física Americana a las cumbres de relacionamiento del Instituto Aspen. Si su público está comiendo carne, les dice: “¿Qué acaban de masticar? ¡Al sol! El bife era la energía de la luz solar”. Aunque tanto Lewis como Nocera comparten la habilidad de enganchar a las audiencias y el mismo supervisor cuando estaban haciendo sus maestrías, sus acercamientos a la hoja artificial son dramáticamente diferentes, lo que resulta en una animada rivalidad profesional. Mientras que Lewis tiene un fuerte foco en la producción de hidrógeno, Nocera quiere saltearse el hidrógeno y construir un aparato que emplee la luz solar para directamente producir combustibles con carbono, más convenientes, que pueden reemplazar de forma inmediata los produc-

tos de petróleo de hoy. Durante un tiempo, Nocera se contentó con enfocarse solo en producción de hidrógeno. En 2011 captó la atención de la comunidad científica al colocar en un vaso de agua lo que parecía un oscuro sello de correos. Esto hizo que el hidrógeno y el oxígeno burbujearan en lados separados. A pesar de su simplicidad, su hoja artificial fue la culminación de 30 años de investigación, volviendo a sus días como estudiante en Caltech. Tras la comunicación del avance, Nocera decidió comercializar su tecnología. Desafortunadamente, estaba por asimilar la lección que casi cualquier startup de energía limpia de Silicon Valley aprendió: la parte realmente dura llega después de un descubrimiento de laboratorio excitante. Luego se lamentaría: “Hice el cáliz sagrado de la ciencia. ¡Genial! Eso no significa que haya hecho un cáliz sagrado de tecnología. Y eso es lo que los científicos y profesores no entienden”. Su startup, Sun Catalytix, terminó alejándose del combustible solar para desarrollar baterías para almacenar energía para la red eléctrica (en 2014, Lockheed compró la compañía por una suma no revelada). Pero la experiencia no lo frenó a la hora de seguir persiguiendo otros cálices sagrados, así que ahora Nocera está persiguiendo el objetivo aún más difícil de aprovechar la luz solar, el agua y el dióxido de carbono para producir combustibles líquidos basados en carbono. Los beneficios potenciales de esa tecnología son muy atractivos. Los combustibles líquidos ya tienen enormes redes globales de infraestructura, incluyendo lugares de almacenamiento, tuberías transcontinentales y superpetroleros, sin mencionar las ubicuas estaciones de llenado en todo el mundo. Un aparato que pueda transformar la luz solar en combustibles que ya son usados de forma común podría aprovechar esa infraestructura. Lewis sostiene que la ruta más prometedora para hacer combustibles basados en carbono a partir de la luz solar involucra hidrógeno generado solar como intermediario. A partir de ahí, los procesos industriales bien entendidos podrían combinar hidrógeno con dióxido de carbono —capturado de fábricas y plantas de energía que queman combustibles fósiles— para producir un rango de combustibles útiles conocidos como hidrocarbonos. Una "refinería solar" podría crear la misma gama de hidrocarburos que se producen actualmente en las refinerías de petróleo, y que posteriormente se emplean como combustibles para el transporte o se convierten en una amplia gama de productos, desde plásticos hasta productos farmacéuticos. A pesar de lo futurístico que suena eso, Nocera quiere hacer algo incluso más difícil. Quiere saltear la producción intermedia de hidrógeno y usar luz solar, agua y dióxido de carbono para producir directamente combustibles con carbono. Si logra realizar esta maniobra de manera rentable y a escala, podría convertirse en el método más eficiente para almacenar la luz solar en los combustibles más versátiles conocidos. Desde un punto de vista científico, parece casi imposible. El solo hecho de separar el agua para generar hidrógeno y oxígeno ya es muy complicado, así que crear el hidrocarburo más simple, el metano que se utiliza para generar gas natural, es una propuesta mucho más compleja. Eso requerirá el descubrimiento de materiales para absorber luz y catalizar las reacciones químicas. Como resultado, una tecnología comercial para hacer combustibles de carbono directamente de la energía solar está mucho más lejos que una que puede producir hidrógeno. Igualmente, durante los últimos tres años, Nocera realizó una serie de descubrimientos improbables. El primero fue un cambio conceptual: en lugar de usar aparatos creados por el hombre para ganarle a la fotosíntesis, ¿por qué no aprovechar la naturaleza? Nocera sabía que la naturaleza usa enzimas intrincadas como catalizadores en fotosíntesis para convertir la luz solar en azúcares complejas. Se dio cuenta de que bacterias modificadas genéticamente podrían comportarse de forma similar después de haber sido equipadas con un arsenal de enzimas potentes. Así que en 2015 Nocera construyó un aparato híbrido que primero divide el agua usando un catalizador inorgánico para hacer hidrógeno, como hacen otras tecnologías de hoja artificial. El mismo aparato luego alimentó el hidrógeno, junto con el dióxido de carbono puro, a la bacteria, que produjo combustibles líquidos. Pero aunque los bichos pudieron convertir el dióxido de carbono e hidrógeno en una variedad de combustibles, estos fueron incompatibles con el catalizador inorgánico, que produjo formas de oxígeno reactivo que destruyeron el ADN de la bacteria. Entonces, en 2016, Nocera y sus colegas publicaron un paper en el journal Sciencia anunciando de forma triunfante un nuevo catalizador, hecho de una aleación de cobalto y fósforo. No solo dejó intacta a la bacteria, sino que se autoensambló a partir de la solución, imitando a los catalizadores que se curan a sí mismos encontrados en la naturaleza. Con el catalizador y la bacteria trabajando juntos en armonía, el aparato de Nocera pudo lograr una eficiencia del 10 por ciento en la conversión de luz solar a combustibles de alcohol. Nocera informó que los bichos deberían ser capaces de producir otras moléculas con carbono para un rango de aplicaciones desde alimentar vehículos a producir plásticos. Y continuó con una demostración en 2017 de que el acercamiento híbrido de catalizador y bacteria podría arreglar al nitrógeno en la atmósfera para producir amoníaco. Ese es un descubrimiento tentador porque más de 1 por ciento de la energía global es usada hoy en la producción de amoníaco para fertilizar cultivos y alimentar el mundo. El prototipo de Nocera sugiere que, un día, la luz solar podría alimentar el proceso en lugar de los combustibles fósiles. Por el momento es díficil saber si es una buena idea. De hecho, las bacterias son bastante quisquillosas, sensibles a la acidez y temperatura de su ambiente, y por lo tanto difíciles de diseñar alrededor de ellas. La inversión, por ahora, está en aparatos que aprovechan la luz solar para producir hidrógeno avanzando más rápido que aquellos que tratan de producir directamente combustibles basados en carbono. Pero, combinando los materiales modernos con la magia de la naturaleza, los investigadores podrían saltearse el hidrógeno simple en búsqueda de una ruta viable al cáliz sagrado final: reemplazos 100 por ciento limpios para los combustibles fósiles.