El petróleo fue la fuente de energía y el vector energético del siglo XX. Todo apunta a que el hidrógeno será el vector energético del siglo XXI gracias a la energía solar como fuente de energía. Para ello se tendrán que desarrollar sistemas de producción de hidrógeno a gran escala basados en materiales electrocatalíticos y fotoelectrocatalíticos. A partir de haluros de hidrógeno, compuestos HX, se puede generar hidrógeno (H2) por división fotocatalítica; normalmente, X=Cl (cloro) o X=Br (bromo). La reacción química (global) utilizada es 2 HX → H2 + X2, una reacción endotérmica (que necesita de un aporte de energía); para el cloro (X=Cl) se necesita un incremento en la energía libre de Gibbs de ΔG° = 131 kJ/mol y para el bromo (X=Br) ΔG° = 103 kJ/mol. Gracias un fotocatalizador oxidativo [Cat] apropiado se puede utilizar la energía solar como fuente de energía; la producción autosostenida de hidrógeno requiere desarrollar un ciclo cerrado de reacciones químicas. Los avances recientes en este campo han sido muy importantes, destacando los del grupo de investigación del Dr. Nocera en el MIT (Instituto de Tecnología de Massachusetts, Cambridge, EE.UU.). Sin embargo, aún estamos lejos para que estos avances se puedan introducir en la industria de la producción masiva de hidrógeno gracias a la energía solar. Los interesados en más detalles disfrutarán del breve artículo de Thomas S. Teets y Daniel G. Nocera, “Photocatalytic hydrogen production,” Chemical Communications 47: 9268-9274, 06 Jun 2011.
Otra de las líneas más interesantes de trabajo del grupo de Daniel Nocera es el desarrollo de hojas artificiales, reacciones químicas que imitan la fotosíntesis que utilizan las plantas para obtener energía directamente del sol. Lla electrólisis (romper una molécula de agua en hidrógeno y oxígeno) no se puede realizar con células solares fotovoltaicas porque requiere un voltaje más alto del que éstas son capaces de producir. Las hojas artificiales son unos materiales catalíticos que combinan ambas funciones, las de una célula solar y las de un sistema de electrólisis. Las primeras hojas artificiales se desarrollaron en 1998 por John Turner (Laboratorio Nacional de Energías Renovables, Boulder, Colorado), pero utilizaban materiales muy caros y su química era tan compleja que era difícil obtener sistemas estables para producción industrial. El Dr. Nocera y su grupo ha tratado de imitar a las plantas utilizando “ingeniería inversa” y han logrado las primeras hojas artificiales prácticas (baratas y fáciles de fabricar). Una especie de lámina de silicio que introducida en un vaso de agua expuesto al sol empieza a producir burbujas de hidrógenos y oxígeno; no se necesita agua ultrapura lo que permite usar fuentes naturales de agua y pone este dispositivo al alcance de muchas partes del tercer mundo. Nos lo contó Richard A. Lovett, “MIT scientist announces first “practical” artificial leaf,” Nature News Blog, March 28, 2011.
La luz solar es la fuente más abundante y sostenible de energía que dispone la humanidad. La Tierra recibe de la energía solar unos 120 000 TW (terawattios o billones de wattios), de los que unos 170 W por metro cuadrado llegan al año a la superficie de la Tierra (el número varía dependiendo de la ubicación geográfica). Aprovechar toda esta energía requiere el desarrollo de dispositivos de alta eficiencia similares a los utilizados por los organismos vivos fotosintéticos, que gracias a la mecánica cuántica alcanzan un porcentaje de fotones absorbidos de casi el 100% en condiciones óptimas, pero esto no implica que su eficiencia total sea del 100%. Se estima que las leyes de la termodinámica implican una reducción de la eficiencia a ~ 50%. Para un sistema fotovoltaico artificial se aplica el llamado límite de Shockley-Queisser de ~ 24% (en lugar del 100%), lo que reduce la eficiencia de producción teórica a solo un ~ 12%.
Comparar la eficiencia de un sistema fotosintético con uno fotovoltaico no es fácil. Ambos procesos recogen la energía de la luz solar, pero funcionan de forma diferente y producen diferentes tipos de productos: fotosíntesis natural produce biomasa y productos químicos, mientras que un sistema fotovoltaico produce una corriente eléctrica. Una posibilidad para comparar ambos sistemas es la generación de hidrógeno (en el caso fotovoltaico mediante electrólisis del agua). El resultado muestra que la fotosíntesis es entre 2 y 3 veces más eficientes que los sistemas fotovoltaicos. Por ello, en la actualidad hay un gran interés en la investigación en la fotosíntesis artificial y en el diseño mediante biología sintética de hojas artificiales. Nos lo contó Robert E. Blankenship et al, “Comparing Photosynthetic and Photovoltaic Efficiencies and Recognizing the Potential for Improvement,” Science 332: 805-809, 13 May 2011.
