La fotosíntesis artificial, una gran herramienta para detener el cambio climático

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 y científicas 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 descubrirás cómo podemos copiar la fotosíntesis natural en el laboratorio y cuáles son las técnicas que tendrás que 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 periodos 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 y científicas, pudiésemos 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 utilizar 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 debemos 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.

A pesar de estas ventajas, la eficiencia de esta reacción de separación del agua todavía 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 de física, química y ciencias de materiales preparados para afrontarlo. La naturaleza ha conseguido perfeccionar la fotosíntesis durante millones de años, no obstante, 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 aquello que necesitamos para sintetizar un catalizador más eficiente que la naturaleza.

En este proyecto, primero estudiaremos las reacciones químicas que ocurren cuando las plantas llevan a cabo la fotosíntesis. Haremos una salida por los alrededores del centro de MónNatura 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 empleadas para estudiar estos catalizadores, como los rayos-X o la espectroscopia con lásers. 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 LEGOs nos permitirá evaluar sus 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!

Finalmente, y respecto a años anteriores, realizaremos una actividad práctica de síntesis de catalizadores basados en carbono y su uso en la fotodegradación de plásticos y residuos alimenticios. Además, tendremos una conferencia con una persona experta que nos analizará la economía del hidrógeno desde un punto de vista tecnoeconómico.

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 de la Universitat Jaume I  (España),  Universidad de Cabmridge  (UK),  Universidad Autónoma de Barcelona  (España) y el Imperial College London  (Reino Unido). Proyecto desarrollado en  inglés.