De la fotosíntesis natural al artificial: en busca de nuevos combustibles

Del 23 de junio hasta el 5 de julio de 2020

Món Natura Pirineus

La crisis climática derivada del uso de combustibles fósiles y el asociado aumento de las emisiones de CO2 hace cada vez más urgente encontrar combustibles sostenibles y renovables. Los científicos han demostrado que la fotosíntesis artificial es capaz de obtener combustible a partir del agua y la luz del sol, pero la eficiencia del proceso aún es baja y hay que encontrar nuevos materiales para llevarlo a cabo. En este proyecto descubres cómo podemos copiar la fotosíntesis natural en el laboratorio y cuáles son las técnicas que debes dominar para crear una hoja artificial que sea capaz de producir combustible sostenible. El objetivo es disminuir el impacto sobre el planeta encontrando soluciones más eficientes que la naturaleza. ¿Lo conseguiremos?

Actualmente nuestro planeta vive la peor crisis climática de la historia debido a las emisiones masivas de CO2 a la atmósfera. Este CO2 proviene de la combustión de los combustibles fósiles (petróleo, gasolina, gas natural ...) que utilizamos para obtener energía. El aumento de concentración de gases invernadero como el CO2 provoca el calentamiento de la tierra y, como consecuencia, el nivel del mar está subiendo y los períodos de sequías mundiales aumenta. Todo ello hace urgente el desarrollo de energías renovables y sostenibles.

Si observamos nuestro entorno podemos ver cómo las plantas son capaces de crear su propia energía a partir de la luz solar, el agua y el CO2. ¿Os imagináis que nosotros, como científicos, pudiéramos conseguir replicar este mismo proceso? La fotosíntesis artificial es un proceso químico que tiene como objetivo imitar las plantas y obtener combustible a partir de la luz solar y el agua a través de la reacción de separación del agua (2H2O → 2H2 + O2), en la que obtenemos hidrógeno (H2) como combustible. Alternativamente, el CO2 también se puede usar para producir combustibles a base de carbono.

La separación del agua no es una reacción que suceda espontáneamente en la naturaleza, sino no tendríamos agua en los mares y en los ríos, por lo tanto, para hacerla posible tenemos que utilizar sistemas muy complejos capaces de captar la luz solar y así conseguir romper los enlaces de la molécula del agua para generar oxígeno e hidrógeno. El uso de hidrógeno como combustible permite la obtención de vapor de agua como única emisión tras la obtención de la energía.

Sin embargo, la eficiencia de esta reacción de separación del agua aún es baja y no existe ningún sistema capaz de llevarla a cabo con la perfección requerida. Para avanzar, es necesario encontrar nuevos sistemas y descubrir en cuál de los múltiples pasos de esta reacción compleja se pierde la eficiencia que limita el proceso. El reto es muy complicado y requiere una generación de científicos y científicas con conocimientos en física, química y ciencias de materiales preparados para afrontarlo. La naturaleza ha conseguido perfeccionar la fotosíntesis durante millones de años, sin embargo, ¡nosotros no disponemos de tanto tiempo!

El objetivo principal del proyecto es descubrir y estudiar las herramientas teóricas y prácticas necesarias para la búsqueda de nuevos catalizadores capaces de imitar los procesos y reacciones que tienen lugar durante la fotosíntesis natural. En definitiva, familiarizarnos con todo lo que necesitamos para sintetizar un catalizador más eficiente que la naturaleza.

En este proyecto, primero estudiamos las reacciones químicas que ocurren cuando las plantas realizan la fotosíntesis. Haremos una salida por los alrededores del centro de Món Natura Pirineus y mediremos la eficiencia de la fotosíntesis de diferentes árboles y plantas del Pirineo. Estudiaremos los tres procesos básicos que se necesitan para transformar el agua en un combustible: la absorción de luz, la conversión de energía y la catálisis.

Después iremos al laboratorio para sintetizar nuestros propios catalizadores que llevarán a cabo la fotosíntesis artificial. Investigaremos dos tipos de catalizadores: aquellos que se activan mediante reacciones electroquímicas (redox) y los que funcionan cuando se irradian con luz (fotocatalizadores). Compararemos la eficiencia de nuestros catalizadores con la fotosíntesis natural y podremos ver cuáles son los más eficientes. Para entender las limitaciones de estos procesos, y así poderlos mejorar, nos familiarizaremos con diferentes técnicas científicas utilizadas para estudiar estos catalizadores, como los rayos-X o la espectroscopia con láseres. Esto nos permitirá diseñar y preparar nuevos catalizadores para hacerlos más eficientes.

También construiremos nuestros propios aparatos de medida para analizar la eficiencia de los catalizadores: un sistema de láseres con Lego nos permitirá evaluar las propiedades ópticas, y programaremos el software con el sistema Raspberry Pi para adquirir nuestros datos, desarrollando habilidades para la cuarta revolución industrial! Finalmente, estudiaremos cómo utilizar el combustible obtenido con el agua con una 'fuel cell'. Incluso, haremos una competición con hydrocars para ver quién obtiene el mejor rendimiento!

El proyecto de fotosíntesis artificial está enfocado en las asignaturas de química, física e ingeniería, combinando el trabajo de campo y las prácticas de laboratorio. En este proyecto estudiarás las reacciones químicas inducidas por la luz (una disciplina llamada fotoquímica), las reacciones electroquímicas (redox) y los conceptos de catálisis y nanotecnología. En definitiva, el proyecto te dará las herramientas para iniciarte en esta investigación. ¿Serás capaz de aportar una solución viable para salvar el planeta?
 

Proyecto liderado por investigadores del Imperial College London (Reino Unido) y el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO). Proyecto desarrollado en inglés y catalán.