Fotosíntesi: mecanisme fonamental per a la vida en aquest planeta, flagell dels estudiants de biologia GCSE i ara una forma potencial de combatre el canvi climàtic. Els científics estan treballant dur per desenvolupar un mètode artificial que imiti com les plantes utilitzen la llum solar per transformar el CO2 i l’aigua en quelcom que podem utilitzar com a combustible. Si funciona, serà un escenari guanyador de guanys: no només ens beneficiarem de les energies renovables produïdes d’aquesta manera, sinó que també es podria convertir en una forma important de reduir els nivells de CO2 a l’atmosfera.
Tot i això, les plantes van trigar milers de milions d’anys a desenvolupar la fotosíntesi i no sempre és fàcil replicar el que passa a la natura. En aquests moments, els passos bàsics de la fotosíntesi artificial funcionen, però de manera poc eficient. La bona notícia és que la investigació en aquest camp està agafant ritme i hi ha grups a tot el món que fan passos per aprofitar aquest procés integral.
Fotosíntesi en dos passos
La fotosíntesi no és només captar la llum solar. Un llangardaix que es banyi al sol càlid pot fer-ho. La fotosíntesi va evolucionar a les plantes com una forma de capturar i emmagatzemar aquesta energia (el bit de foto) i convertir-la en hidrats de carboni (el bit de síntesi). Les plantes utilitzen una sèrie de proteïnes i enzims alimentats per la llum solar per alliberar electrons, que al seu torn s’utilitzen per convertir el CO2 en hidrats de carboni complexos. Bàsicament, la fotosíntesi artificial segueix els mateixos passos.
Consulteu els llums de làmpades relacionats a Londres que es converteixen en punts de recàrrega L’energia solar al Regne Unit: com funciona l’energia solar i quins avantatges té?
En la fotosíntesi natural, que forma part del cicle del carboni natural, tenim llum, CO2 i aigua que entra a la planta i la planta fabrica sucre, explica Phil De Luna, doctorand que treballa al Departament d’Enginyeria Elèctrica i Informàtica de la Universitat. de Toronto. En la fotosíntesi artificial, fem servir dispositius i materials inorgànics. La part real de captació solar la fan les cèl·lules solars i la de conversió d’energia es realitza mitjançant catalitzadors electroquímics [reaccions en presència de].
El que realment atrau amb aquest procés és la capacitat de produir combustible per emmagatzemar energia a llarg termini. Això és molt més del que poden fer les fonts d'energia renovables actuals, fins i tot amb tecnologia emergent de bateries. Si el sol no surt o si no fa un dia de vent, per exemple, els panells solars i els parcs eòlics simplement deixen de produir-se. Per a un emmagatzematge estacional prolongat i emmagatzematge en combustibles complexos, necessitem una millor solució, diu De Luna. Les bateries són ideals per al dia a dia, per als telèfons i fins i tot per als cotxes, però mai no farem servir un [Boeing] 747 amb bateria.
Reptes a resoldre
A l’hora de crear cèl·lules solars –el primer pas del procés de fotosíntesi artificial–, ja tenim la tecnologia implantada: els sistemes d’energia solar. No obstant això, els panells fotovoltaics actuals, que normalment són sistemes basats en semiconductors, són relativament cars i ineficients en comparació amb la natura. Cal una nova tecnologia; un que malgasta molta menys energia.
Gary Hastings i el seu equip de Universitat Estatal de Geòrgia, Atlanta , pot haver topat amb un punt de partida en mirar el procés original de les plantes. En la fotosíntesi, el punt crucial consisteix a moure electrons a una certa distància de la cèl·lula. En termes molt senzills, és aquest moviment provocat per la llum solar el que més tard es converteix en energia. Hastings va demostrar que el procés té una naturalesa molt eficient perquè aquests electrons no poden tornar a la seva posició original: si l’electró torna a l’origen, es perd l’energia solar. Tot i que aquesta possibilitat és rara a les plantes, ocorre amb força freqüència als panells solars, explicant per què són menys eficients que la realitat.
Hastings creu que és probable que aquesta investigació avanci en tecnologies de cèl·lules solars relacionades amb la producció de productes químics o de combustible, però és ràpid que va assenyalar que això només és una idea en aquest moment i que és improbable que aquest avenç es produeixi aviat. Pel que fa a la fabricació d’una tecnologia de cèl·lules solars totalment artificial dissenyada a partir d’aquestes idees, crec que la tecnologia estarà més lluny en el futur, probablement no en els propers cinc anys, ni tan sols per a un prototip.
Un dels problemes que els investigadors creuen que estem a punt de solucionar implica el segon pas del procés: convertir el CO2 en combustible. Com que aquesta molècula és molt estable i necessita una quantitat d’energia increïble per trencar-la, el sistema artificial utilitza catalitzadors per reduir l’energia necessària i ajudar a accelerar la reacció. No obstant això, aquest enfocament presenta el seu propi conjunt de problemes. Hi ha hagut molts intents en els darrers deu anys, amb catalitzadors fets de manganès, titani i cobalt, però l'ús prolongat s'ha demostrat ser un problema. La teoria pot semblar bona, però deixen de funcionar al cap d’unes hores, es tornen inestables, es desencadenen o desencadenen altres reaccions químiques que poden danyar la cèl·lula.
Però sembla que la col·laboració entre investigadors canadencs i xinesos ha arribat al màxim . Van trobar una manera de combinar níquel, ferro, cobalt i fòsfor per treballar en un pH neutre, cosa que facilita el funcionament del sistema. Atès que el nostre catalitzador pot funcionar bé en electròlits de pH neutre, que són necessaris per a la reducció de CO2, podem fer l’electròlisi de reducció de CO2 en un sistema lliure de membrana i, per tant, es pot reduir la tensió, diu Bo Zhang, del Departament. de ciències macromoleculars a la Universitat de Fudan, Xina. Amb una impressionant conversió d’energia elèctrica a química del 64%, l’equip és ara titulars de rècords amb la màxima eficiència en sistemes de fotosíntesi artificial.
què passa quan suprimiu el compte de discord
El problema més gran del que tenim ara és l’escala
Pel seu esforç, l’equip va arribar a les semifinals del NRG COSIA Carbon XPRIZE, que els podria guanyar 20 milions de dòlars per la seva investigació. L’objectiu és desenvolupar tecnologies innovadores que converteixin les emissions de CO2 de les centrals elèctriques i les instal·lacions industrials en productes valuosos i, amb els seus sistemes de fotosíntesi artificial millorats, tinguin bones possibilitats.
El següent repte és ampliar. El problema més gran del que tenim ara és l’escala. Quan augmentem, acabem perdent eficiència, diu De Luna, que també va participar en l’estudi de Zhang. Per sort, els investigadors no han esgotat la llista de millores i ara estan intentant que els catalitzadors siguin més eficients mitjançant diferents composicions i diferents configuracions.
Guanyar en dos fronts
Certament, encara hi ha marge de millora tant a curt com a llarg termini, però molts consideren que la fotosíntesi artificial pot convertir-se en una eina important com a tecnologia neta i sostenible per al futur.
És increïblement emocionant perquè el camp es mou ràpidament. Pel que fa a la comercialització, ens trobem en el punt d'inflexió, afirma De Luna, i afegeix que si funcioni dependrà de molts factors, que inclouen les polítiques públiques i l'adopció per part de la indústria per acceptar la tecnologia d'energies renovables.
Aconseguir que la ciència sigui correcta només és el primer pas. Arran de la investigació de la talla de Hastings i Zhang, arribarà el pas crucial per absorbir la fotosíntesi artificial a la nostra estratègia global al voltant de les energies renovables. L’aposta és alta. Si avança, guanyarem en dos fronts: no només produir combustibles i productes químics, sinó també reduir la nostra petjada de carboni en el procés.
