En un reciente artículo científico, la profesora Katharina Brinkert analiza la importancia de la fotosíntesis artificial y su posible papel en nuestra supervivencia en otros mundos.

La vida en la Tierra debe su existencia a la fotosíntesis, un proceso que tiene 2.300 millones de años. Esta fascinante (y aún desconocida) reacción permite a las plantas y otros organismos captar la luz solar, el agua y el dióxido de carbono y convertirlos en oxígeno y energía en forma de azúcar.

La fotosíntesis es una parte tan integral del funcionamiento de la Tierra que prácticamente la damos por sentada. Pero cuando miramos más allá de nuestro planeta en busca de lugares que explorar y en los que establecernos, resulta obvio lo raro y valioso que es este proceso.

Como hemos investigado mis colegas y yo en un nuevo artículo, publicado en Nature Communications, los recientes avances en la fabricación de fotosíntesis artificial pueden ser la clave para sobrevivir y prosperar lejos de la Tierra.

La necesidad humana de oxígeno dificulta los viajes espaciales. Las restricciones de combustible limitan la cantidad de oxígeno que podemos llevar con nosotros, sobre todo si queremos hacer viajes de larga distancia a la Luna y Marte. Un viaje de ida a Marte suele durar del orden de dos años, lo que significa que no podemos enviar fácilmente suministros de recursos desde la Tierra.

En la Estación Espacial Internacional ya existen métodos para producir oxígeno reciclando dióxido de carbono. La mayor parte del oxígeno de la ISS procede de un proceso llamado “electrólisis”, que utiliza la electricidad de los paneles solares de la estación para dividir el agua en gas hidrógeno y gas oxígeno, que los astronautas respiran. También tiene un sistema separado que convierte el dióxido de carbono que exhalan los astronautas en agua y metano.

Pero estas tecnologías son poco fiables, ineficaces, pesadas y difíciles de mantener. El proceso de generación de oxígeno, por ejemplo, requiere alrededor de un tercio de la energía total necesaria para hacer funcionar todo el sistema de la ISS de apoyo al “control medioambiental y soporte vital“.

Vías de futuro

La búsqueda de sistemas alternativos que puedan emplearse en la Luna y en los viajes a Marte sigue su curso. Una posibilidad es captar la energía solar (abundante en el espacio) y utilizarla directamente para la producción de oxígeno y el reciclado de dióxido de carbono en un solo dispositivo.

El único otro insumo en un dispositivo de este tipo sería el agua, similar al proceso de fotosíntesis que tiene lugar en la naturaleza. Así se evitarían los complejos montajes en los que los dos procesos de captación de luz y producción química están separados, como ocurre en la ISS.

Esquema de la fotosíntesis. Crédito de imagen: depositphotos.com

Esto es interesante porque podría reducir el peso y el volumen del sistema, dos criterios clave para la exploración espacial. Pero también sería más eficiente.

Podríamos utilizar la energía térmica (calor) adicional liberada durante el proceso de captación de la energía solar directamente para catalizar (encender) las reacciones químicas, acelerándolas así. Además, se reducirían considerablemente las complejas tareas de cableado y mantenimiento.

Hemos elaborado un marco teórico para analizar y predecir el rendimiento de estos dispositivos integrados de “fotosíntesis artificial” para aplicaciones en la Luna y Marte.

En lugar de clorofila, responsable de la absorción de la luz en plantas y algas, estos dispositivos utilizan materiales semiconductores que pueden recubrirse directamente con catalizadores metálicos sencillos que soportan la reacción química deseada.

Nuestro análisis demuestra que estos dispositivos serían realmente viables para complementar las tecnologías de soporte vital existentes, como el conjunto generador de oxígeno empleado en la ISS. Esto es particularmente cierto cuando se combinan con dispositivos que concentran la energía solar para alimentar las reacciones (esencialmente grandes espejos que enfocan la luz solar entrante).

También existen otros métodos. Por ejemplo, podemos producir oxígeno directamente a partir del suelo lunar (regolito). Pero esto requiere altas temperaturas para funcionar.

En cambio, los dispositivos de fotosíntesis artificial podrían funcionar a temperatura ambiente y a las presiones existentes en Marte y la Luna. Eso significa que podrían utilizarse directamente en hábitats y utilizando el agua como principal recurso.

Esto es particularmente interesante dada la presencia estipulada de agua helada en el cráter lunar Shackleton, que es un lugar de aterrizaje previsto en futuras misiones lunares.

En Marte, la atmósfera está compuesta por casi un 96% de dióxido de carbono, lo que parece ideal para un dispositivo de fotosíntesis artificial. Pero la intensidad de la luz en el planeta rojo es menor que en la Tierra debido a la mayor distancia al Sol.

¿Supondría esto un problema? Hemos calculado la intensidad de la luz solar disponible en Marte. Demostramos que, efectivamente, podemos utilizar estos dispositivos allí, aunque los espejos solares adquieren aún más importancia.

La producción eficaz y fiable de oxígeno y otros productos químicos, así como el reciclado de dióxido de carbono a bordo de las naves espaciales y en los hábitats, es un enorme reto que debemos dominar para las misiones espaciales a largo plazo.

Los sistemas de electrólisis existentes, que funcionan a altas temperaturas, requieren un importante aporte de energía. Y los dispositivos para convertir el dióxido de carbono en oxígeno en Marte están aún en pañales, tanto si se basan en la fotosíntesis como si no.

Así que son necesarios varios años de intensa investigación para poder utilizar esta tecnología en el espacio. Copiar las partes esenciales de la fotosíntesis de la naturaleza podría darnos algunas ventajas, ayudándonos a realizarlas en un futuro no muy lejano.

Luna terraformada vista desde el campo en la Tierra. Crédito de imagen: depositphotos.com

Utilización en el espacio y en la Tierra

Los beneficios serían enormes. Por ejemplo, podríamos crear atmósferas artificiales en el espacio y producir los productos químicos que necesitamos en misiones de larga duración, como fertilizantes, polímeros o productos farmacéuticos.

Además, los conocimientos que obtengamos diseñando y fabricando estos dispositivos podrían ayudarnos a afrontar el reto de la energía verde en la Tierra.

Tenemos la suerte de contar con plantas y algas para producir oxígeno. Pero los dispositivos de fotosíntesis artificial podrían utilizarse para producir hidrógeno o combustibles basados en el carbono (en lugar de azúcares), abriendo una vía ecológica para la producción de sustancias químicas ricas en energía que podamos almacenar y utilizar en el transporte.

La exploración del espacio y nuestra futura economía energética tienen un objetivo a largo plazo muy similar: la sostenibilidad. Los dispositivos de fotosíntesis artificial pueden convertirse en una pieza clave para conseguirlo.

Los hallazgos de la investigación han sido publicadas en Nature Communications.

Autor: Katharina Brinkert, Profesor Asistente en Catálisis, Universidad de Warwick

[H/T: theconversation]

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