Energía Solar da un nuevo giro

Nueva perspectiva en Energía Solar

Hoy en día, "hay varios tipos de hojas artificiales que utilizan fotocatalizadores adheridos directamente a la superficie de la célula solar," dice Kazunari Domen, profesor contratado especial en la Universidad de Shinshu en Nagano, Japón. ¶ Crédito: Design Indaba

La capacidad de las plantas para aprovechar la energía solar de manera altamente eficiente ha intrigado durante mucho tiempo a científicos y tecnólogos. Una combinación de luz solar, agua y dióxido de carbono les proporciona el combustible que necesitan para crecer, florecer y producir frutas. Es un sistema altamente eficiente y no contaminante.

Ahora los investigadores están recurriendo a la naturaleza para obtener un modelo para una rama emergente de la tecnología centrada en la fotosíntesis artificial utilizando hojas solares. La tecnología, aún en una etapa incipiente, produce etanol y propanol a partir de dióxido de carbono, agua y luz solar. El combustible solar resultante puede ser utilizado para alimentar automóviles, barcos y maquinaria.

“Las hojas solares artificiales podrían generar combustibles completamente renovables y con cero emisiones netas de carbono que podrían ser utilizados en una amplia gama de industrias y en muchas situaciones”, explica Erwin Reisner, profesor en el Departamento de Química de la Universidad de Cambridge y autor principal de un artículo de mayo de 2023 sobre la tecnología que apareció en Nature Energy.

La tecnología de las hojas solares podría proporcionar un sustituto de los combustibles fósiles, pero también podría sentar las bases para crear nuevos tipos de productos químicos orgánicos y producir oxígeno en el espacio o en otro planeta. “Es una tecnología muy versátil y potencialmente poderosa”, dice Motiar Rahaman, investigador postdoctoral principal en la Universidad de Cambridge y autor principal del artículo.

Tecnología de Combustibles Naturales

La idea de crear combustible a partir del aire no es particularmente nueva. Ya en la década de 1970, los investigadores comenzaron a explorar formas de utilizar la energía solar para convertir el agua en fuentes de combustible compuestas por elementos como el hidrógeno y el oxígeno. Sin embargo, el costo de producir estos combustibles y adaptar la infraestructura para acomodarlos es alto.

En los últimos 15 años aproximadamente, los investigadores también han explorado la idea de convertir el CO 2 y el H 2 O en etanol utilizando solo la luz solar. Hoy en día, “hay varios tipos de hojas artificiales que utilizan fotocatalizadores adheridos directamente a la superficie de la célula solar,” dice Kazunari Domen, profesor contratado especial en la Universidad de Shinshu en Nagano, Japón, quien ha investigado partículas semiconductoras solares a escala nanométrica que generan hidrógeno y oxígeno a partir del agua.

Lo que hace que el avance de los científicos de Cambridge sea tan notable es que encontraron una manera de llevar a cabo el proceso de fotosíntesis en un solo paso y producir combustible con una alta densidad de energía. “Es un dispositivo completamente integrado”, dice Reisner. “Como resultado, esta tecnología se acerca mucho más a la realidad práctica”.

Una hoja artificial consta de dos partes: una fotocátodo y un fotoánodo. En un lado, una célula solar de perovskita que contiene un catalizador de cobre paladio recoge la luz y convierte el dióxido de carbono en alcoholes multicarbono. En el otro lado, se utiliza un fotocatalizador de bismuto vanadato nanoestructurado como fotoánodo para convertir el agua en oxígeno.

Es posible quemar el combustible de inmediato o almacenarlo en tanques. El proceso de fotosíntesis artificial funciona incluso con poca luz solar, dice Rahaman.

Las hojas pueden tener casi cualquier forma o tamaño concebible y pueden ser tejidas en matrices más grandes. Esto hace que la tecnología sea ideal para una amplia gama de usos, incluyendo vehículos y ubicaciones remotas donde los paneles solares no son factibles o rentables. También podría proporcionar una alternativa de cocina limpia en lugar de leña, carbón y otros combustibles sucios. “Tres o cuatro millones de personas en países en desarrollo mueren cada año porque carecen de acceso a combustible limpio”, dice Reisner.

Sin embargo, Reisner agrega que la tecnología no está diseñada para competir con la energía solar convencional, que almacena energía en baterías. “Es una tecnología completamente complementaria”, afirma.

Beneficios Solares

Aunque las hojas solares parecen tener un futuro prometedor, es probable que lleve una década o más para que la tecnología alcance un nivel comercial. “Todavía hay algunos problemas que resolver antes de que las hojas artificiales puedan ser utilizadas en la práctica, pero esta investigación es… un logro de primer nivel a nivel científico”, dice Domen.

Una ventaja importante de esta tecnología en comparación con el hidrógeno es el hecho de que la infraestructura existente podría convertirse a bajo costo para acomodar el combustible de etanol producido por hojas solares, dice Reisner. “Los tanques, las tuberías y otros elementos ya existen y requieren cambios mínimos para acomodar estos combustibles líquidos”.

Eventualmente, Reisner imagina grandes grupos de hojas artificiales flotando en el agua, recolectando luz y produciendo combustible. “Esto resuelve los problemas de uso de tierras y abre formas de utilizar generadores solares en el océano y en otros lugares, incluido el tratamiento de agua”. La misma tecnología podría generar oxígeno dentro de estructuras en la Luna o Marte, y es capaz de transformar residuos plásticos en energía.

Por ahora, los investigadores de Cambridge están estudiando formas de acelerar el proceso de fotosíntesis artificial, que es aproximadamente igual a la velocidad a la que ocurre en la naturaleza. También están explorando formas de escalar la tecnología para su uso generalizado. Según Reisner, “las hojas artificiales y los combustibles solares podrían liderar el camino hacia un futuro más barato y sostenible”.

Samuel Greengard es un autor y periodista con sede en West Linn, OR, USA.

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