Asegurar suficiente energía para satisfacer las necesidades humanas es uno de los mayores desafíos que la sociedad ha enfrentado. Fuentes previamente confiables (petróleo, gas y carbón) están degradando la calidad del aire, devastando la tierra y el océano y alterando el frágil equilibrio del clima global, a través de la liberación de CO2 y otros gases de efecto invernadero. Mientras tanto, se prevé que la población en rápida industrialización de la Tierra alcanzará los 10 mil millones para 2050. Las alternativas limpias son una necesidad urgente.

Investigadores del Biodesign Center for Applied Structural Discovery de la Arizona State University (ASU) están explorando nuevas tecnologías que podrían allanar el camino hacia la energía limpia y sostenible para ayudar a satisfacer la abrumadora demanda global.

En una nueva investigación, el autor principal Brian Wadsworth, junto con sus colegas Anna Beiler, Diana Khusnutdinova, Edgar Reyes Cruz y el autor correspondiente Gary Moore describen tecnologías que combinan semiconductores recolectores de luz y materiales catalíticos capaces de reacciones químicas que producen combustible limpio.

El nuevo estudio explora la interacción sutil de los componentes principales de dichos dispositivos y describe un marco teórico para comprender las reacciones subyacentes de formación de combustible. Los resultados sugieren estrategias para mejorar la eficiencia y el rendimiento de dichas tecnologías híbridas, acercándolas un paso más a la viabilidad comercial.

La célula fotoelectrosintética experimental descrita en el nuevo estudio. Las tecnologías de este tipo combinan semiconductores de recolección de luz y materiales catalíticos capaces de reacciones químicas que producen combustible limpio. Crédito: Arizona State University

La producción de hidrógeno y formas reducidas de carbono por estas tecnologías podría algún día suplantar las fuentes de combustibles fósiles para una amplia gama de productos de carbono reducidos, incluidos combustibles, plásticos y materiales de construcción.

Gary Moore, profesor asistente en la Facultad de Ciencias Moleculares de ASU, dijo en un comunicado:

En este trabajo en particular, hemos estado desarrollando sistemas que integran tecnologías de captura y conversión de luz con estrategias de almacenamiento de energía basadas en químicos. En lugar de la generación directa de electricidad a partir de la luz solar, esta nueva generación de tecnología utiliza energía solar para impulsar reacciones químicas capaces de producir combustibles, que almacenan la energía del sol en enlaces químicos. Ahí es donde la catálisis se vuelve extremadamente importante. Es la química de controlar tanto la selectividad de las reacciones como los requisitos generales de energía para impulsar esas transformaciones”.

Algo nuevo bajo el Sol

Una de las fuentes más atractivas para la producción sostenible de energía neutral en carbono es antigua y abundante: la luz solar. De hecho, la adopción de tecnologías de energía solar ha ganado un impulso significativo en los últimos años.

Los dispositivos fotovoltaicos (PV), o células solares, reúnen la luz solar y transforman la energía directamente en electricidad. Los materiales mejorados y los costos reducidos han hecho de la energía fotovoltaica una opción energética atractiva, particularmente en estados bañados por abundante luz solar como Arizona, con grandes paneles solares que cubren varios kilómetros capaces de alimentar miles de hogares.

(Public domain)

Moore agrega:

Pero solo tener acceso a la energía solar utilizando energía fotovoltaica no es suficiente”.

Muchas energías renovables como la luz solar y la energía eólica no siempre están disponibles, por lo que el almacenamiento de fuentes intermitentes es una parte clave de cualquier tecnología futura para satisfacer las demandas globales de energía humana a gran escala.

Como explica Moore, tomar prestada una página del manual de la naturaleza puede ayudar a los investigadores a aprovechar la energía radiante del Sol para generar combustibles sostenibles.

Moore dijo:

Una cosa está clara. Es probable que sigamos usando combustibles como parte de nuestra infraestructura energética en el futuro previsible, especialmente para aplicaciones que involucran el transporte terrestre y aéreo. Ahí es donde la parte bioinspirada de nuestra investigación se vuelve particularmente relevante, mirando a la naturaleza para obtener pistas sobre cómo podríamos desarrollar nuevas tecnologías para producir combustibles libres de carbono o neutros “.

Instinto solar

Uno de los trucos más impresionantes de la naturaleza es el uso de la luz solar para producir productos químicos ricos en energía, un proceso dominado hace miles de millones de años por las plantas y otros organismos fotosintéticos.

Moore dijo:

En este proceso, la luz se absorbe y la energía se usa para impulsar una serie de transformaciones bioquímicas complejas que finalmente producen los alimentos que comemos y, a lo largo de largas escalas de tiempo geológico, los combustibles que manejan nuestra sociedad moderna”.

Crédito: MAKY_OREL / Pixabay

En el estudio actual, el grupo analizó las variables clave que rigen la eficiencia de las reacciones químicas utilizadas para producir combustible a través de diversos dispositivos artificiales.

Wadsworth dijo:

En este artículo, hemos desarrollado un modelo cinético para describir la interacción entre la absorción de luz en la superficie del semiconductor, la migración de carga dentro del semiconductor, la transferencia de carga a nuestra capa de catalizador y luego el paso de catálisis química”.

El modelo que desarrolló el grupo se basa en un marco similar que rige el comportamiento enzimático, conocido como la cinética de Michaelis-Menten, que describe la relación entre las velocidades de reacción enzimática y el medio en el que tiene lugar la reacción (o sustrato). Aquí, este modelo se aplica a dispositivos tecnológicos que combinan semiconductores de recolección de luz y materiales catalíticos para la formación de combustible.

Wadsworth dijo:

Describimos las actividades de formación de combustible de estos materiales híbridos en función de la intensidad de la luz y también del potencial”.

Lo modelos cinéticos similares al tipo Michaelis-Menten han demostrado ser útiles para analizar fenómenos como la unión antígeno-anticuerpo, la hibridación ADN-ADN y la interacción proteína-proteína.

Al modelar la dinámica del sistema, el grupo hizo un descubrimiento sorprendente.

Moore agregó:

En este sistema en particular, no estamos limitados por la rapidez con que el catalizador puede conducir la reacción química. Estamos limitados por la capacidad de entregar electrones a ese catalizador y activarlo. Eso está relacionado con la intensidad de la luz que golpea la superficie”.

El descubrimiento tiene implicaciones para el diseño futuro de tales dispositivos con miras a maximizar sus eficiencias.

Moore agregó:

Simplemente agregar más catalizador a la superficie del material híbrido no da como resultado mayores tasas de producción de combustible. Necesitamos considerar las propiedades de absorción de luz del semiconductor subyacente, lo que a su vez nos obliga a pensar más sobre la selección del catalizador y cómo el catalizador interactúa con el componente absorbente de luz”.

Un rayo de esperanza

Queda mucho por hacer antes de que tales soluciones de energía solar a combustibles estén listas. Hacer que estas tecnologías sean prácticas para las demandas humanas requiere eficiencia, accesibilidad y estabilidad.

Crédito: Bru-nO / Pixabay

La tarea difícilmente podría ser más urgente. Se proyecta que la demanda mundial de energía aumentará de aproximadamente 17 teravatios hoy a la asombrosa cifra de 30 teravatios a mediados de siglo. Además de importantes obstáculos científicos y tecnológicos, Moore enfatiza que los cambios profundos en las políticas también serán esenciales.

La nueva investigación es un paso en el largo camino hacia un futuro sostenible. El grupo señala que sus hallazgos son importantes porque probablemente sean relevantes para una amplia gama de transformaciones químicas que involucran materiales absorbentes de luz y catalizadores.

Los hallazgos de la investigación han sido publicados en Journal of the American Chemical Society.

Fuente: Phys.org