Fotosíntesis de laboratorio
Científicos españoles lideran el proyecto europeo más ambicioso que intenta emular la asombrosa capacidad de las plantas para obtener energía combinando simplemente luz solar, agua y CO . Si tienen éxito, podría ser la alternativa perfecta a los contaminantes combustibles fósiles.
Imagina que se te aparece el genio de la lámpara y te concede tres deseos. Entonces tú, en un arrebato de solidaridad, decides pensar en el futuro de la Tierra. “Quiero atrapar la energía del Sol, que desaparezca toda la contaminación y, además, crear un combustible inagotable y limpio, barato y fácil de almacenar, que mueva todas las máquinas y encienda todas las luces del planeta”. Ante semejantes demandas, lo más probable es que el genio se riese de ti: “¡Venga ya! ¡Pero si los tres son una misma cosa: la fotosíntesis artificial!”. Incluso podría acusarte de malgastar los deseos, porque ya hay investigadores de carne y hueso a punto de hacerlos realidad sin recurrir al hosco genio de Aladino.
Parte de la crème de la crème de la investigación en la fotosíntesis de laboratorio se congrega en España. Porque desde nuestro país se coordina el proyecto europeo más ambicioso hasta la fecha destinado a desarrollar una hoja artificial como alternativa a los combustibles fósiles. Hablamos del proyecto A-LEAF (del inglés
leaf, ‘hoja’), que reúne a químicos, físicos, ingenieros, nanocientíficos y especialistas en materiales procedentes de ocho países. Arrancó en 2017, con ocho millones de euros de presupuesto y un plazo limitado: 48 meses. “Suficiente”, asegura su coordinador, José Ramón Galán-Mascarós, del Instituto Catalán de Investigación Química (ICIQ), en Tarragona.
No se trata de una apuesta basada en la intuición, sino en los hechos. Es tal el ardor que derrama el Sol –un enorme horno nuclear natural– sobre nuestro planeta que bastaría con capturar y almacenar una pequeña fracción de su lluvia de fotones para satisfacer todas las demandas energéticas presentes y futuras de nuestra especie. “Se trata de la energía renovable más abundante de que dis- ponemos. Al año llegan a la Tierra 120.000 teravatios (TW). El consumo humano total ronda los 20 TW anuales, y se estima que se utilizarán unos 30 TW en 2050”, nos explica GalánMascarós.
Si te paras a pensarlo un poco, ya existe una tecnología capaz de capturar eficientemente la luz del astro rey para transformarla en electricidad y calor: las placas fotovoltaicas. Sin embargo, tienen una pega importante, y es que la energía que atrapan no se puede almacenar ni transportar con facilidad. Y no debemos perder de vista que, aunque hay periodos de gran producción, las horas centrales de un día soleado, estos se alternan con otros de escasa captación: las noches y los días nublados. “PARA COMPETIR EN IGUALDAD DE CONDICIONES CON LOS DERIVADOS DEL PETRÓLEO Y EL CARBÓN hace falta un proceso industrial que transforme la luz, el agua y el dióxido de carbono en un combustible que podamos guardar y gestionar cómodamente”, incide el investigador español. Estamos soñando nada menos que con la gasolina solar, un hidrocarburo verde que desbanque de una vez por todas a los combustibles convencionales, limitados y tremendamente dañinos para el medioambiente.
Una cosa es entender cómo consiguen hacerlo las plantas desde el punto de vista bioquímico y otra muy distinta replicarlo de manera rentable y competitiva
La idea es revolucionaria, pero no original. Al fin y al cabo, lo que se han propuesto llevan haciéndolo millones de años las plantas y las algas verdes. La pionera fue una cianobacteria que aprendió a combinar los fotones solares, el H O –prácticamente inagotable– y 2 el CO presente en el aire para crear azúcares con enlaces químicos 2 cargados de energía. Y sin generar residuos: cien por cien limpia. Esta innovación les garantizó desarrollarse y crecer tanto de día como de noche, a pleno sol o en días de lluvia. En sentido estricto, los humanos solo nos estamos copiando.
Aunque ese solo hay que matizarlo, porque imitar el proceso de los vegetales tiene su intríngulis. Si fuera sencillo, no llevaríamos más de cuatro décadas afanándonos por conseguirlo. Una cosa es entender la química en la que se basa la fotosíntesis y otra muy distinta replicarla de manera rentable y competitiva. Precisamente, estos son los dos adjetivos en los que más hincapié pone GalánMascarós cuando hablamos con él.
El experto español explica que no han puesto en marcha A-LEAF para alcanzar un simple “éxito de laboratorio”. Porque de esos ya hay bastantes ejemplos. “Existen prototipos que son capaces de transformar la luz solar en combustible –hidrógeno, por ejemplo, a partir de agua– de forma muy eficiente”, explica el experto. Con un pero, y es que un kilogramo de dicho hidrógeno obtenido a partir de gas natural –metano– tiene un coste de uno o dos euros, mientras que si lo producimos a partir de la luz del Sol, combinando una celda solar con un electrolizador, el precio sería unas diez veces mayor. Inviable. “NOSOTROS TENEMOS QUE LOGRAR ALGO ECONÓMICAMENTE ATRACTIVO”,
afirma tajante Galán-Mascarós. Asegura que solo considerarán culminado su proyecto si logran la fotosíntesis artificial con materiales baratos, abundantes, fácilmente accesibles y respetuosos con el medioambiente, y que además permitan utilizar técnicas de fabricación escalables a la producción industrial. Después de todo, “únicamente con impuestos
“Con impuestos a los combustibles fósiles no cambiaremos la sociedad”, dice el coordinador del proyecto A-LEAF
a los combustible fósiles no llegaremos a producir nunca una transformación real de la sociedad. El Paleolítico no terminó porque los Gobiernos decidiesen poner tributos a las piedras: se acabó cuando los humanos descubrieron un material mejor, y más barato: el bronce. Si los combustibles solares pueden competir en prestaciones, y también en beneficios, entonces el cambio será de verdad imparable”, reflexiona en voz alta. LO DICE APUNTANDO A LAS ESTRELLAS, SÍ, PERO CON LOS PIES EN EL SUELO.
Tanto él como los más de setenta especialistas a los que coordina saben que este desafío titánico les obliga a desarrollar el conocimiento de muchos procesos científicos de interés básico y general: la manufacturación de multicapas fotovoltaicas, la física de superficies donde se producen los combustibles, la separación de productos y reactivos mediante membranas... Y en esas andan ahora, precisamente.
“Nos hemos propuesto imitar los tres elementos básicos de la fotosíntesis natural, que tiene lugar en las hojas”, aclara Julio Lloret Fillol, al frente de
otro de los grupos españoles que participa en A-LEAF. A saber: la absorción de luz, posiblemente mediante materiales semiconductores; la oxidación del agua para generar oxígeno; y la reducción de dióxido de carbono a sustancias de alto contenido energético, preferentemente hidrocarburos. “Tanto la oxidación del H O co2 mo la reducción del CO son reacciones extraordinariamente com2 plejas”, advierte Lloret.
Pensemos por un momento en este proceso como una cadena de montaje. Además de las materias primas, necesitaremos máquinas –de naturaleza molecular, en este caso– que permitan transformar unas piezas en otras. Nos referimos a los catalizadores, y según Lloret es crucial lograr no solo que resulten muy eficientes, sino también estables con el paso del tiempo, para que no se desintegren. Sabe de lo que habla porque su trabajo se centra, precisamente, en encontrar los catalizadores perfectos. AL PRIMER ANIVERSARIO DE A-LEAF, EN EL QUE SE CONGREGARON MEDIO CENTENAR DE INVESTIGADORES,
Lloret y sus compañeros acudieron con noticias esperanzadoras. Habían confirmado, a nivel atómico, la estabilidad de catalizadores basados en el hierro capaces de oxidar el agua. También llegaba un soplo de aire fresco desde Alemania: el equipo dedicado a desarrollar las placas fotovoltaicas compartía con sus compañeros que ya estaban preparadas y optimizadas unas multicapas de silicio con eficiencias del 10 % –las plantas apenas almacenan un 2 % de la energía del Sol en forma de azúcares– y con el voltaje necesario para realizar la fotosíntesis. Y además estaban basadas en estructuras baratas. Se respiraba entusiasmo.
Estas reuniones periódicas son importantes, porque, si bien los trece grupos que integran A-LEAF trabajan por separado en los distintos eslabones de la fotosíntesis artificial, al final todo tendrá que confluir. Sus aportaciones deberán encajar como piezas de Lego. De hecho, uno de los instantes cumbre del proyecto será, precisamente, el momento de la articulación de todos los elementos en un único dispositivo.
Concretamente, lo integrarán en un pequeño reactor fotoelectroquímico que, aclaran, no tendrá forma de hoja. “Puede que la combinación de todas las partes ponga en peligro el funcionamiento óptimo que habremos logrado por separado, de forma que la suma de elementos excelentes no resulte en un sistema igualmente excelente”, nos advierte Galán-Mascarós cuando le preguntamos por los próximos escollos a superar.
Sea como sea, lo que les depara el futuro está muy claro. “Dentro de tres años tendremos, sí o sí, un dispositivo completo capaz de producir combustible a partir de agua, CO y 2 luz solar”, asegura el coordinador de A-LEAF. Si los costes de producción son competitivos, el proyecto habrá sido un gran éxito. Y si no, se consuela, al menos habrán puesto los cimientos “para que, en algún momento no muy lejano, podamos sustituir por completo las fuentes de energía fósiles por una alternativa limpia y renovable”.
Una opción beneficiosa para el medioambiente, pero también para la humanidad. Porque al tratarse de una energía abundante, ubicua, universal y sin problemas de oferta y demanda, impulsaría el progreso social “sin dejarse a nadie atrás”, defiende Galán-Mascarós. Hay algo de heroico en su cruzada, no se puede negar. “¿No sería emocionante que nuestro país liderara esa transición energética?”, se pregunta en voz alta su compañero Lloret. La ciencia española sueña en verde.