La fotosintesis artificial vive una guerra entre la ciencia basica y la aplicada

Durante un lustro, el JPAC recibio millones para desarrollar un sistema comercial de biocombustibles basados en luz solar. Ahora su financiacion ha sido renovada pero para investigacion basica

Cuando visite el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California (EEUU) en marzo, la directora adjunta del Centro Conjunto para la Fotosintesis Artificial (JPAC, por sus siglas en ingles), Frances Houle, presumio de uno de sus ultimos avances. Es un dispositivo que descompone el agua en hidrogeno y oxigeno con luz solar.

Hasta ahora, los investigadores del laboratorio lo habian conseguido con luz artificial, pero esa era la primera vez que lo lograban con luz natural. Amarrado a una delgada base metalica sobre el tejado del edificio del centro, en las colinas encima de la cuidad de Berkeley, con unas espectaculares vistas a la bahia de San Francisco (EEUU), el pequeño dispositivo tiene una celula solar que suministra la energia requerida para que un catalizador quimico divida el agua. En la parte superior del dispositivo, se acumulaban burbujas de oxigeno puro.

Fundado en 2010 bajo el mandato del entonces secretario de Energia estadounidense, Steven Chu, el JCAP tiene un objetivo ambicioso: generar combustibles unicamente con luz solar, dioxido de carbono y agua (ver Una iniciativa de fotosintesis artificial echa raices).

Si lo consigue de forma economicamente viable, seria un hito digno de Prometeo que representaria un enorme paso hacia la resolucion de los dos retos que obstaculizan nuestra transicion desde combustibles fosiles hacia energias renovables: el almacenaje de grandes cantidades de energia para su uso posterior, y lograr alimentar formas de transporte que no pueden ser facilmente operadas con baterias.

El director fundador del centro, Nate Lewis, explica: “Todos los estudios de un sistema de energia limpia que yo he visto identifican las mismas dos carencias tecnologicas: el almacenaje energetico masivo a escala de red para compensar la intermitencia de las energias eolicas y solares, y un combustible liquido rico en energia y neutro en carbono”.

Convertir la luz solar en combustible permitiria que la energia solar captada durante el dia pueda ser almacenada, transportada y empleada cuando no brille el Sol. El mismo combustible podria reemplazar los combustibles fosiles que alimentan los aviones y barcos actuales. “No existen aviones y barcos electricos”, añade Lewis.

Alojado dentro del Instituto de Tecnologia de California (Caltech, EEUU), el JCAP fue fundado con unos 110 millones de euros en cinco años, y su financiacion fue renovada (aunque con una cuantia menor) el año pasado. Ahora lo dirige el profesor de fisica aplicada de Caltech Harry Atwater, el JCAP ha hecho algunos avances impresionantes durante sus seis años de vida. Los cientificos del JCAP han logrado desarrollar dispositivos como el que pude observar en persona: prototipos capaces de dividir el agua en hidrogeno y oxigeno de forma 10 veces mas eficiente que la fotosintesis.

Representa un importante primer paso hacia la fotosintesis artificial; el proximo paso consistiria en combinar el hidrogeno con dioxido de carbono para generar “combustibles solares” que puedan reemplazar los combustibles fosiles.

Pero durante el ultimo año, el JCAP ha realizado un importante cambio de direccion. El Departamento de Energia de Estados Unidos (DOE, por sus siglas en ingles) renovo su financiacion el año pasado con menos de 14 millones de euros anuales, casi un 40% menos que la media anual del lustro anterior.

Ademas, representantes del DOE instaron a los cientificos a dejar de lado sus esfuerzos por desarrollar dispositivos que puedan ser comercializados durante los proximos años para, en lugar de ello, concentrarse en las investigaciones basicas sobre los complejos procesos subyacentes de la fotosintesis artificial. El objetivo original del JCAP, segun el anuncio de su creacion en 2010, era de “desarrollar un sistema integrado de conversion de energia solar a combustible quimico y hacer avanzar este sistema de la fase de descubrimiento de sobre mesa hasta una escala desde la que se pueda comercializar”. Ahora su mision ya no traspasa la fase del descubrimiento.

Uno de los principales logros del JCAP han sido los dispositivos solares capaces de dividir el agua en hidrogeno y oxigeno – un importante primer paso del camino hacia la fotosintesis artificial. Credito: JCAP / Instituto de Tecnologia de California.

“Durante sus primeros cinco años, el JCAP se centro principalmente en los combustibles de hidrogeno”, explica el director de programa del JCAP dentro de la Oficina Cientifica del DOE, Christopher Fecko. Abordar el reto cientifico que dirige la fotosintesis artificial completa requerira, en su opinion, “investigaciones basicas, descubrimientos cientificos y transformacionales que algun dia habilitaran estas tecnologias, y estamos logrando unos progresos excelentes”. Segun Fecko, el futuro deparara el despliegue tecnologico y la produccion comercial”.

Pero “el futuro” podria suceder en cinco años o en varias decadas. El abandono del objetivo de desarrollar una solucion funcional lo antes posible representa un reconocimiento de que el objetivo original del JCAP de la fotosintesis artificial es mucho mas complicado y esta mucho mas lejos de resolverse de lo que entendian los cientificos en 2010. Tambien representa una decision tactica para no gastar dinero federal en el desarrollo de un dispositivo funcional que genere combustible de hidrogeno, aunque esa tecnologia se encuentra mucho mas cerca de la comercializacion.

Chu recuerda: “Mi vision original era la de proporcionar mucha autonomia a los cientificos y permitirles escoger la direccion que considerasen mas prometedora para que pudieran realmente desarrollar algo”. El responsable dejo el DOE en 2013 y ahora es profesor de fisica y fisiologia fisica y molecular de la Universidad de Stanford (EEUU). A dia de hoy afirma: “No creo que se les este dando la libertad que yo imaginaba”.

El primer paso de la fotosintesis consiste en dividir el agua en hidrogeno y oxigeno. El hidrogeno entonces hace reaccion con el dioxido de carbono para producir carbohidratos, que alimentan el crecimiento de las plantas. La fotosintesis artificial busca emplear las mismas materias primas, la energia solar, el agua y el dioxido de carbono, para generar combustibles liquidos ricos en energia. Si esos combustibles se produjeran con dioxido de carbono del aire, el proceso seria neutro en carbono, por lo que no añadiria emisiones nuevas de gases de efecto invernadero a la atmosfera.

Desde 2010, cuando el JCAP fue creado, las investigaciones sobre fotosintesis artificial y combustibles solares han ganado impulso a nivel mundial. Existen consorcios nacionales de I+D que abordan el problema en Japon, Suecia y otros paises. Y varias start-ups como Opus12, fundada por un trio de alumnos de postgrado de la Universidad de Stanford, (EEUU) y Liquid Light, liderada por el profesor de quimica de la Universidad de Princeton (EEUU) Andrew Bocarsly, intentan montar negocios en torno a la fotosintesis artificial.

La pregunta es, daran fruto a tiempo para ayudar a limitar el cambio climatico global? Un problema es que lograr que los combustibles solares sean neutros en carbono depende de tecnologias e infraestructuras totalmente nuevas para capturar el carbono del aire o atrapar las emisiones de plantas con combustibles fosiles.

El otro problema es que convertir el dioxido de carbono para completar el proceso de la fotosintesis es muy, muy complicado. Incluye seis pasos quimicos distintos, y no existe ningun catalizador conocido que convierta el dioxido de carbono en combustible de forma eficiente y selectiva, como lo hay para la reaccion de division del agua.

“El reto que el JCAP esta abordando en su segundo ciclo de cinco años es mas fundamental y dificil que el esfuerzo del combustible de hidrogeno, pero con unosincreibles beneficios en potencia”, asegura Fecko.

Este cambio, el sucesor de Lewis como director del JCAP, Harry Atwater, afirma que “ha empujado al emprendimiento al completo no hacia actividades de prototipado y de escalado, sino hacia un enfoque mucho mas centrado en las investigaciones basicas”. Ese enfoque concuerda con los objetivos del programa de Ciencias Energeticas Basicasdel DOE, que controla la financiacion del JCAP. Pero no nos acercara, a corto plazo, al desarrollo de dispositivos ni a la generacion de una industria en torno a los combustibles solares.

Los cientificos Sonjia Francis (derecha) y Dan Torelli (izquierda) del JCAP investigan la reduccion electroquimica de dioxido de carbono para la generacion de combustibles liquidos. El JCAP ha desviado su enfoque de la comercializacion de soluciones funcionales hacia las investigaciones basicas. Credito: JCAP / Instituto de Tecnologia de California.

Por eso Lewis cree que el abandono del prototipado y escalado de los dispositivos que producen hidrogeno es un error. El propio hidrogeno es un producto final util en si mismo, sostiene. Puede ser quemado directamente dentro de los motores de combustion interna modificados. Puede ser convertido en un combustible sintetico mediante el proceso Fischer-Tropsch. Puede ser empleado por las celulas de combustible para almacenar la energia y generar electricidad, dejando solo agua tras si como desecho.

Los prototipos divisores de agua desarrollados por el JCAP aun necesitaran mucho desarrollo para ser convertidos en dispositivos comerciales utiles. Pero Lewis cree poder llegar, y en un plazo relativamente corto: “Con menos de cinco millones de euros anuales, estoy bastante seguro de que podriamos llegar a lograrlo en cinco años, y es la primera vez que digo esto”.

Por ahora ese trabajo no sera realizado por el JCAP. Lewis apoya las investigaciones continuadas sobre la fotosintesis artificial a escala. Pero considera que el cambio de rumbo del JCAP representa el abandono de una prometedora tecnologia de energia limpia, la division del agua para producir hidrogeno, que podria ser comercializada mucho antes.

Las investigaciones basicas sobre la conversion del dioxido de carbono “es un enfoque y alcance muy estrechamente limitado”, sugiere. “Los combustibles solares deberian ser mucho mas amplios que escoger una manera determinada de llegar y definanciar las demas opciones”.

Atwater y Fecko coinciden en que la invencion de un dispositivo divisor del agua es un importante hito que otros laboratorios e investigadores podran alcanzar.Atwater afirma: “Nuestro trabajo consiste en lograr avances de investigacion que den lugar a opciones tecnologicas. Somos cientificos, no podemos llevar la pelota hasta la linea de meta”.

Pero llegar a la meta si era el objetivo original definido por Chu cuando el centro fue fundado. De alguna manera, el JCAP es un caso de estudio de la promesa y los peligros de la financiacion gubernamental a largo plazo de las tecnologias energeticas. Chu habla de manera triste del camino no escogido por el programa que creo en 2010. Las ciencias basicas son algo necesario y maravilloso, pero no son lo que el “tenia en mente”, concluye.

universidadagricola.com

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