Un equipo de científicos de la Universidad de Harvard presentó un nuevo invento, una hoja biónica que transforma CO2 en combustible – un sistema que podría utilizar la energía solar y las bacterias que se alimentan de hidrógeno para generar combustible líquido.
Los resultados, que se describen en la revista Science, ofrecen una vía alternativa para hacer combustibles solares de carbono-neutral.
Constituida parte con microbios y parte máquina, la hoja biónica marca una mejora de diez veces la versión anterior y podrían utilizarse para generar todo tipo de productos, desde los precursores de los bio-plásticos de combustible.
«Este trabajo es muy importante… el rendimiento de este sistema es inigualable por cualquier otro sistema de reducción de CO2,» dijo Peidong Yang, químico de la Universidad Berkeley de California y ganador de la beca MacArthur «genius», que no participó en el proyecto, dijo en un correo electrónico. «Además, al ser capaz de hacer esto a bajas presiones y en altas concentraciones de oxígeno representa otro avance importante».
La quema de combustibles fósiles es un proceso sucio: Se saca hidrocarburos almacenados con seguridad en el suelo y envía el dióxido de carbono en el aire, liberando una molécula que está contribuyendo tanto al aumento de la temperatura global y la acidificación del océano. Por eso, conseguir un sistema de energía libre que utiliza un combustible totalmente limpio, o por lo menos un sistema neutro en carbono que recicla el carbono presente en el aire, es de profunda importancia en las próximas décadas, según los científicos.
La energía renovable – por ejemplo, el tipo que puede ser cosechada del sol mediante paneles solares fotovoltaicos – hace tiempo que se promociona como una de las respuestas a nuestra profunda dependencia de los combustibles fósiles. Sin embargo, estos sistemas no son del todo fiables; la luz del sol está disponible sólo durante el día (e incluso sólo si hay sol).
Los investigadores han querido canalizar esa energía de luz en un combustible almacenable, como las plantas convierten la energía en azúcares. El proceso, llamado fotosíntesis artificial, típicamente implica el uso de electricidad a partir de una célula solar para dividir el agua en hidrógeno y gas oxígeno. El hidrógeno se recoge, y cuando se quema en lugares como el depósito de un automóvil, el único subproducto es el agua.
El coautor del estudio Daniel Nocera, un químico de la Universidad de Harvard, es uno de esos científicos: Se le conoce por la «hoja artificial» – una oblea semiconductora recubierta de un catalizador que podrían caer en el agua y producir gas hidrógeno.
Sin embargo, estos sistemas no son comercialmente competitivos con los combustibles fósiles – y no hay infraestructura a gran escala para gestionar y almacenar el mismo. Así que algunos científicos han tratado de hacer hidrocarburos utilizando agua, luz solar y dióxido de carbono – que ha resultado ser un reto extremadamente complejo.
Pero las células vivas son bastante buenas en hacer malabarismos con las moléculas de carbono, y Nocera y la bióloga de Harvard Systems -Pamela Silver- decidieron ponerlos a trabajar.
Utilizaron electricidad para dividir el agua y las alimentaron con el gas de hidrógeno resultando en una bacteria llamada Ralstonia eutropha, que utiliza el hidrógeno y dióxido de carbono para generar biomasa.
Pero los científicos también tomaron algunas de las bacterias y le cambiaron los genes clave para que las bacterias produzcan alcohol en lugar de isopropanol.
Usando este sistema, también han hecho isobutanol, isopentanol y PHB, un precursor de bioplástico – y lo han hecho a tasas que se acercan a una eficiencia estimada de alrededor de 10 por ciento. (La hoja biónica también friega el dióxido de carbono del aire a una velocidad de 180 gramos por kilovatio-hora).
En cierto modo, en realidad es más parecido a la fotosíntesis natural, que no sólo divide el agua, pero también tira dióxido de carbono del aire para producir azúcares, dijo Nocera.
«Este trabajo va la distancia completa de lo que llamaré el verdadero fotosíntesis artificial», dijo.
Por el momento, los científicos han estado utilizando la electricidad de la pared, pero el sistema debe funcionar de la misma manera cuando están conectados a dispositivos fotovoltaicos existentes, explicó Nocera.
Eso es mucho mejor que el 1% logrado por la hoja biónica original, los científicos describieron en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias el año pasado. En la versión 1.0, que utiliza una aleación de níquel-molibdeno-zinc como catalizador para producir el gas de hidrógeno – pero el proceso también creó demasiadas especies reactivas de oxígeno, moléculas que son tóxicas para las bacterias. Debido a eso, los científicos tuvieron que utilizar voltajes más altos, que también reducen la eficiencia del sistema.
Los científicos desconcertados por el problema, experimentando con diferentes compuestos. («Nos equivocamos alrededor de ocho meses», dijo Nocera). Finalmente dieron con un catalizador diferente, una aleación de cobalto-fósforo, que podría generar gas sin producir toneladas de esas moléculas reactivas. En este ambiente más suave, los microbios prosperaron. Esto también les permitió utilizar voltajes más bajos, mejorando la eficiencia.
Los científicos también desarrollaron una cepa de la bacteria que es resistente a estas moléculas reactivas de oxígeno. Esto no hace mucha diferencia para ellos, ya que habían encontrado un catalizador mejor, pero podría ser útil para otros equipos que quieren experimentar con los sistemas basados en microbios, pero no se preocupe por estos productos químicos potencialmente tóxicos, dijo Nocera.
Lo bueno de este sistema, el científico añadió, es que usted no tiene que cosechar cualquier cultivo para estos biocombustibles – lo que significa evitar algunas de las críticas a los biocombustibles tradicionales, tales como el etanol.
«Mi primera impresión es que está bien hecho y la ciencia cuidadosamente ejecutada,» dijo John Turner, un investigador de combustibles solares en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, Colorado, en un correo electrónico.
Sin embargo, el investigador advirtió que no quedó claro si tales dispositivos «realmente pueden competir contra otras vías comerciales que pueden tomar CO2 e hidrógeno para diversos productos.»
El siguiente paso, dijo Nocera, fue tratar de utilizar este proceso para hacer que los productos químicos a base de nitrógeno puedan ser utilizados en los fertilizantes.
«Estén atentos porque Pam y yo estamos en camino de hacer la fijación de nitrógeno en el mismo tipo de camino que acabamos de hacer la en la disociación del agua», dijo.
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