Durante décadas, el desarrollo de energía renovable -y los debates en torno a las políticas que la rodean- se ha centrado ampliamente en la generación de electricidad. Pero más del 60% de la energía del mundo es generada directamente por combustibles químicos (principalmente fósiles), sin ninguna conversión intermedia a electricidad. Ningún esfuerzo realista para combatir el calentamiento global reduciendo las emisiones de carbono puede ignorar esta limitación fundamental.
De hecho, en Estados Unidos y otros países industrializados, muchas aplicaciones que dependen de combustibles fósiles (como el transporte aéreo o la producción de aluminio) no se pueden reconfigurar para utilizar energía eléctrica. Es más, se requiere que los combustibles fósiles produzcan también electricidad, tanto para satisfacer la demanda como para compensar la intermitencia de sistemas de energía renovable como el viento o la energía solar. ¿Existe realmente una alternativa escalable y de bajo consumo de carbono?
Una estrategia prometedora es la fotosíntesis artificial, que utiliza materiales no biológicos para producir combustibles directamente a partir de la luz solar. El sol es una fuente de energía prácticamente inagotable, mientras que la energía almacenada en forma de enlaces químicos -como los que se encuentran en los combustibles fósiles- es accesible, eficiente y conveniente. La fotosíntesis artificial combina estas características en una tecnología viable que promete seguridad energética, sustentabilidad ambiental y estabilidad económica.
Si bien la fotosíntesis natural ofrece un cianotipo complejo y elegante para la producción de combustibles químicos a partir de la luz solar, tiene limitaciones importantes en materia de rendimiento. Sólo se usa alrededor de un décimo de la energía solar; las eficiencias netas anualizadas de la conversión energética son inferiores al 1%; cantidades importantes de energía se gastan internamente para regenerar y mantener la maquinaria molecular exquisita de la fotosíntesis; y la energía se almacena en combustibles químicos que son incompatibles con los sistemas energéticos existentes.
Sin embargo, la fotosíntesis artificial, inspirada en su variante natural, ha demostrado que puede tener un rendimiento muy superior, y generar energía de una manera tal que se pueda utilizar en nuestra infraestructura energética actual. Es más, un sistema plenamente artificial no exigiría tierra arable o agua potable, ni obligaría a elegir entre producir alimentos o combustibles en el uso de la tierra.
Las tecnologías energéticas existentes ya se pueden combinar para generar combustibles químicos de manera eficiente, aunque indirectamente, a partir de la luz solar, pero todavía no en una configuración que sea a la vez práctica, escalable y económica viable. De la misma manera, la eficiencia general de un sistema integrado de conversión energética de luz solar a combustibles puede ser más de diez veces superior que la mayoría de los sistemas biológicos más eficientes en materia de energía, pero los costos de capital son demasiado elevados para un uso comercial. La principal prioridad de los investigadores por ende debe ser la de desarrollar un generador de combustible solar que combine escalabilidad costo-efectiva con robustez y eficiencia.
La clave para crear un sistema de estas características se basa en la utilización de materiales abundantes en la tierra que puedan realizar las funciones esenciales de absorber la luz y facilitar las reacciones químicas que forman combustibles. De la misma manera que la clorofila sirve para absorber la luz en la fotosíntesis natural, se necesitan materiales apropiados para capturar y convertir la luz solar en los sistemas artificiales. Si bien las propiedades de absorción de la luz del silicio son apropiadas para dispositivos fotovoltaicos, los casi 0,5 voltios que genera es demasiado poco para separar el agua en un generador de combustible solar.
Un sistema artificial también exige catalizadores que faciliten la producción eficiente de combustibles químicos. Estos catalizadores deben ser altamente activos, estables y, para una escalabilidad global, deben estar compuestos de elementos que abunden en la tierra, como el hierro, el níquel o el cobalto, no los metales escasos que se utilizan hoy, como el rutenio o el iridio.
Por otra parte, los componentes del sistema deben estar integrados de un modo tal que garantice el óptimo funcionamiento de todos ellos en un conjunto común de condiciones operativas. Un sistema desplegable también debe incorporar arquitecturas, procesos de fabricación y métodos de instalación costo-efectivos.
Más importante aún, estos sistemas deben funcionar de manera segura. En la mayoría de las implementaciones de fotosíntesis artificial, los combustibles ricos en energía son coproducidos con oxígeno, lo que resulta en mezclas explosivas peligrosas. Se deben desarrollar membranas, u otras barreras físicas y químicas, para aislar los productos entre sí de una manera segura. Estas particiones también deberían eliminar la necesidad de un equipo de procesamiento periférico complejo que sería necesario para separar los productos antes de ser usados en la mayoría de las aplicaciones.
¿Cómo sería entonces un sistema fotosintético artificial? El patrón no es un panel solar conectado a una unidad de electrólisis, sino más bien un cilindro delgado de capas tipo plásticas intercaladas, como los tejidos de alto rendimiento de los impermeables, que se puedan desplegar según fuera necesario. El material superior absorbería el agua y el dióxido de carbono del aire, y la siguiente capa que absorbe la luz haría uso de la energía del sol para producir el combustible. Separado por la membrana, el combustible no sería expulsado al aire sino que drenaría por la parte inferior del material en un tanque colector que sería utilizado a pedido en nuestra infraestructura de suministro de energía existente.
En términos ideales, la generación de combustible solar debería ofrecer flexibilidad en los tipos de combustibles químicos que se pueden producir a partir de la luz solar. En su encarnación más simple, el agua se divide en gases de hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno se puede convertir en un combustible líquido mejorando biocombustibles, por ejemplo, o se lo podría hacer reaccionar con dióxido de carbono de gases de combustión o procesarlo para producir combustibles líquidos para un uso en aplicaciones de transporte. Alternativamente, los catalizadores, como en los sistemas fotosintéticos naturales, podrían reducir directamente el dióxido de carbono, en este caso a metanol o metano. Los sistemas más efectivos podrían ofrecer combustibles gaseosos o líquidos.
Los avances recientes en el terreno de la nanociencia, la ciencia de los materiales, la química y la física han ofrecido las herramientas necesarias para hacer un progreso rápido en este campo. El premio máximo es una tecnología de energía limpia que sea accesible y que pueda servir de base para un futuro de energía segura y sustentable.
Nathan S. Lewis is a professor of chemistry at the California Institute of Technology and Scientific Director of the Joint Center for Artificial Photosynthesis. William J. Royea is Assistant Director for Strategy and Communications at the Joint Center for Artificial Photosynthesis, California Institute of Technology.