miércoles, 15 de junio de 2016

Logro en fotosíntesis artificial

Consiguen un 10 por ciento de rendimiento en la producción de alcohol mediante la fotosíntesis artificial.
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La fuente de energía renovable que ha estado alimentado los ecosistemas terrestres en los últimos miles de millones de años es el Sol, principalmente a través de la fotosíntesis.
La fotosíntesis parece que fue inventada por las cianobacterias y su profusión sobre este planeta cambió su geología y su atmósfera. El oxígeno libre que generó permitió la aparición, más tarde, de los animales y de nosotros.
Podríamos pensar que la fotosíntesis es un proceso muy eficiente, pero no es así. Sólo una pequeña parte de la energía que recibe la planta es transformada en su equivalente de energía química en forma de carbohidratos.
Las plantas emplean dos tipos de fotosíntesis, la I y la II, que tiene rendimientos distintos. Plantas como el maíz emplean la de tipo II que es más eficiente. Por dar un número de fotosíntesis con alto rendimiento nos podemos fijar en algunas algas, que llegan al 3% de rendimiento, pero, en general, el rendimiento es inferior a eso y más cercano al 1%.
A esos niveles de rendimiento es impensable sustituir los combustibles fósiles por biocombustibles. Uno de los mayores desastres medioambientales del planeta se da en las selvas de Indonesia, que son sistemáticamente destruidas a un ritmo acelerado para la plantación de palma de aceite.
Parte de ese aceite va a la alimentación y productos cosméticos y otra gran parte va a parar al biodiesel, sobre todo en Europa, en donde una legislación desafortunada obliga a incorporar biodiesel al diesel normal procedente del petróleo. En este caso los europeos quemamos orangutanes de Borneo en nuestros automóviles todos los días por culpa de unos políticos incompetentes (o interesados).
Otro problema asociado con los biocombustibles es que pueden afectar a la producción de alimentos, al derivar terreno que estaba pensado para el cultivo de alientos o piensos hacia su uso en la producción de biocombustibles. Con una población humana creciendo a ritmo exponencial esto puede ser un gran problema.
Como transformar plantas en combustible es una mala idea, salvo que se usen desperdicios agrícolas que de todos modos se iban a tirar, se puede plantear la idea de usar placas fotovoltaicas para producir electricidad con la que hacer la electrolisis del agua y producir hidrógeno que puede ser empleado como combustible. En este caso se llega al 10% de rendimiento. La diferencia de rendimiento con respecto las plantas se debe, entre otras cosas, a la capacidad de aprovechar una mayor parte del espectro electromagnético que tiene las células fotovoltaicas frente a la clorofila, que sólo usa el rojo y el azul de la parte visible del espectro.
Una solución sería modificar las plantas para que usen otros pigmentos además de la clorofila que aprovechen el verde y el ultravioleta, puede que incluso el infrarrojo. Pero si ya nos cuesta consumir el maíz transgénico, estas plantas tendría una aceptación aún peor.
Aunque la idea de producir hidrógeno mediante energía fotovoltaica es compleja y este gas es difícil de manejar como combustible (almacenarlo sale muy caro), el margen del 10% parece que es suficiente como para intentar desarrollar un sistema de fotosíntesis artificial alternativo que sea rentable.
Desde hace años varios grupos investigan sobre esta idea. Algunos de los resultados los hemos cubierto en estas páginas de NeoFronteras de vez en cuando. La idea es usar un sistema fotovoltaico que directamente transforme la luz del sol, el agua y el dióxido de carbono en algún hidrocarburo, a ser posible líquido. De este modo, el almacenamiento de la energía es infinitamente más barato que usar baterías de litio o los grandes depósitos necesarios para almacenar el hidrógeno. Pero los resultados no parecían indicar una rentabilidad que fuera competitiva desde el punto de vista económico, hasta ahora.
Hace unos días el grupo de Daniel Nocera (Harvard University) publicó un artículo en el que afirman conseguir un rendimiento final del 10% usando fotosíntesis artificial. La energía contenida en los alcoholes que se obtienen en el proceso es un 10% de la energía solar usada para formarlos. Este resultado es muy bueno, por no decir extraordinario y, a primera vista, parece rentable.
El sistema empleado es un tanto biónico, pues es un híbrido entre un sistema fotovoltaico y unos microorganismos. La luz del sol incide sobre una célula fotovoltaica que escinde el agua en oxígeno e hidrógeno. Luego, una capa microbiana usa el hidrógeno y el dióxido de carbono para producir alcoholes.
Este mismo equipo de investigadores ya tuvo resultados al respecto en 2015 usando un catalizador de níquel, zinc y molibdeno en la electrolisis, pero estos metales tenían el efecto secundario indeseado de matar a los microorganismos mediante la creación de oxidantes. El sistema funcionaba muy bien al principio hasta que las bacterias empleadas iban muriendo.
Así que estos mismos investigadores decidieron buscar otros catalizadores que no envenenaran a las bacterias Ralstonia eutropha empleadas. Encontraron uno basado en una aleación de cobalto y fósforo. Esta aleación es una amalgama que se emplea como recubrimiento anticorrosión en muchos lugares que van desde los plásticos, pasando por los circuitos electrónicos a partes metálicas como las griferías.
Con el nuevo sistema los investigadores no han encontrado signos de degradación de la aleación y parece funcionar como catalizador de forma indefinida. Las bacterias han sobrevivido al periodo de prueba de 16 días sin que tampoco presenten problemas de envenenamiento. El proceso divide el agua en hidrógeno y oxígeno sin que este último tenga efectos oxidantes letales sobre el ADN o biomoléculas de las bacterias. Los investigadores todavía no se saben por qué es así.
El nuevo catalizador permitió usar un voltaje menor que aumentó la eficiencia. Como resultado se obtiene isopropanol o isobutanol con un rendimiento del 10%. Es decir, por cada kilovatio-hora de electricidad producida por la luz del sol y 130 gramos de dióxido de carbono atmosférico se producen 60 gramos de estos alcoholes. Este rendimiento está muy por encima del de la fotosíntesis natural. El prototipo es pequeño y no produce grande cantidades de estas sustancias, pero se puede escalar a un tamaño arbitrariamente grande.
La ventaja es que no hay razón que impida pensar que estas bacterias, previamente modificadas, no puedan producir otros hidrocarburos, precursores de plásticos o incluso fertilizantes para la agricultura que necesiten hidrógeno. El nuevo sistema parece que ya es económicamente rentable.
En teoría se podría pensar, según mantiene Nocera, que este tipo de biorreactores fotovoltaicos podrían mitigar los efectos del cambio climático al dar acceso a combustibles más limpios que no producen una emisión neta de dióxido de carbono. Se puede instalar uno de estos sistemas en el jardín de casa para proporcionar combustible a pequeña escala, en especial a las familias desfavorecidas de países en vías de desarrollo que no tiene acceso a alta tecnología. No hacen falta grandes infraestructuras.
Sin embargo, el optimismo de estos investigadores choca con la dura realidad. Cualquiera de estas tecnologías no puede competir con el petróleo, porque esta fuente es virtualmente gratuita (aunque sus poseedores nos cobren un precio por ella).
Una población en crecimiento exponencial no puede mantenerse indefinidamente sobre recursos finitos. Esa población necesita comer y eso exige superficie de cultivo que compite con la dedicada a captar energía solar de cualquier tipo. Porque la energía solar es limitada y no se pueden cubrir grandes extensiones de superficie sin esto afecte a la producción de alimentos o a los ecosistemas. Además cualquier superficie que ocupemos se la restamos a los ecosistemas terrestres, reduciendo la biodiversidad y haciendo que el planeta tenga problemas a la hora de mantener la vida sobre él.
Además, el cobalto es un metal estratégico que la Naturaleza ha diseminado por la corteza terrestre en países inestables políticamente. Metal que hay que extraer y que nadie querrá regalar para su uso masivo en biorreactores.
Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=4952

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