Nate Lewis sobre la fotosíntesis artificial

Nate Lewis, profesor de química de George L. Argyros en el Instituto de Tecnología de California, trabaja para desarrollar nuevas tecnologías para satisfacer las inmensas necesidades energéticas del futuro de una manera sostenible. Lewis se especializa en lo que se llama fotosíntesis artificial. En la naturaleza, la fotosíntesis es el proceso que utilizan las plantas para producir alimentos a partir de la energía del sol. El Dr. Lewis trabaja para imitar ese proceso. Usando materiales especiales, construye pequeñas células que, cuando son golpeadas por la luz y rodeadas de agua, crean combustible de hidrógeno. El hidrógeno quema "limpio". Es decir, no produce dióxido de carbono (CO2) cuando se quema. Este podcast es parte de la serie Thanks To Chemistry, producida en cooperación con la Chemical Heritage Foundation. El generoso apoyo de patrocinio fue proporcionado por la Corporación BASF. La Fundación Camille y Henry Dreyfus, DuPont y ExxonMobil proporcionaron apoyo adicional para la producción. Nate Lewis habló con Beth Lebwohl de EarthSky.

Las plantas usan la luz solar para hacer comida. Eso es fotosíntesis. Pero su laboratorio está trabajando en una fotosíntesis artificial. Cual es el objetivo?

Células vegetales. Haber de imagen: Kristian Peters

Las plantas descubrieron que la mejor manera de hacer y aprovechar la energía limpia sería tomar el mayor recurso que tenemos, el sol, y convertirlo en lo que impulsa casi toda la energía y el consumo en nuestro planeta hoy, que es el combustible químico. Pero las plantas no lo hacen de manera muy eficiente, y hacen un combustible que no podemos usar, al menos no directamente, a menos que quieras comer las deliciosas verduras que salen de él. Pero la mayor parte de lo que hacen las plantas no puede ser utilizada directamente como combustible por los humanos.

De la misma manera que las aves tienen plumas, y sabemos que, por lo tanto, es posible volar, pero no construimos aviones con plumas, sabemos que es posible tomar la luz del sol y producir combustible químico. Vamos a construir nuestras máquinas que tomarán luz solar y producirán directamente combustible que cualquiera podría usar en cualquier lugar, en cualquier momento, para su energía.

Hablemos de un producto específico de su laboratorio: una célula fotoelectroquímica utilizada en la fotosíntesis artificial con el objetivo de producir combustible de hidrógeno, en los términos más simples posibles. ¿Cómo va a funcionar?

Sabemos que es posible con materiales semiconductores como los utilizados en paneles solares, pero un conjunto diferente de materiales como el platino y el silicio, realmente toman esos materiales, y en lugar de cubrirlos con cables eléctricos, sumergimos el material en agua. Y agregando luz solar, se puede dividir esa agua y producir gas hidrógeno y gas oxígeno directamente. Recogería el hidrógeno y luego podría usarlo más tarde en una celda de combustible. O podría convertirlo en un combustible líquido, o usarlo para otras cosas. Entonces recuperarías el oxígeno del aire en el punto de combustión del hidrógeno u otro combustible que hiciste. Sabemos que esto ya funciona.

Haber de imagen: spcbrass

Hablaste sobre dividir el agua. ¿Qué quieres decir exactamente con eso?

El agua tiene la fórmula química del H2O. Para dividirlo, vuelves a hacer malabarismos con los enlaces en el agua, para formar una molécula de H2 y la mitad del O2 que produce las moléculas de oxígeno que están en nuestro aire.

El combustible que resulta de eso es el hidrógeno, el H2, porque puede almacenarse y luego quemarse. Al igual que la gasolina se quema con oxígeno del aire, el hidrógeno se quema con oxígeno del aire. En este caso, en lugar de producir dióxido de carbono, produciría agua. Por lo tanto, es de combustión limpia, porque el único subproducto es en realidad agua potable del proceso de combustión.

¿Cómo se ve esta célula fotoelectroquímica? ¿Qué hay dentro de él que lo hace hacer este trabajo?

Será un material flexible, como el Slip 'n Slide o el plástico de burbujas, una tela multifuncional que desplegará, y habrá una capa transparente superior que absorberá agua como una esponja aire. Luego, la capa intermedia absorberá la luz solar y descompondrá las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno. Vamos a dejar que el oxígeno se ventile al igual que a través de una chaqueta de lluvia cuando lo dejas respirar. En la parte inferior, eliminaríamos el combustible gaseoso o líquido, lo recogeríamos en un tanque, y luego podríamos usarlo para hacer funcionar nuestros autos, para hacer funcionar las celdas de combustible, para hacer combustibles líquidos, para proporcionar la energía que utilizamos. Necesito incluso cuando el sol no está brillando.

¿Cuál es la línea de tiempo en esto? ¿Cuándo podemos esperar ver esto en el mercado, en uso general o en la industria?

Nuestro objetivo es construir prototipos que realmente funcionen en los primeros dos años de este proyecto, llamado Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial, que es un centro de innovación energética patrocinado por el Departamento de Energía.

Y, por lo tanto, estamos lanzando un proyecto muy agresivo, porque nadie ha construido un generador de combustible solar que pueda tener en la mano y que sea realmente un sistema fotosintético artificial. Sabemos que los primeros prototipos que construimos no funcionarán muy bien, o tal vez no duren mucho o usen piezas demasiado caras. Y luego vamos a construir una segunda, y va a funcionar un poco mejor. Y luego vamos a construir el tercero, y funcionará mejor aún. Aprenderemos de nuestros errores hasta que construyamos un quinto que realmente sea el que tratamos de pensar en mudarnos a la empresa comercial.

Creemos que esta es una generación en evolución de desarrollo tecnológico. Pero no puede volar hasta que despegue, y nuestro objetivo es despegar, construir lo que demuestre que podemos crear una tecnología que realmente puede hacer directamente lo que hacen las plantas, pero mejor, producir combustible. directamente del sol

¿Cuáles son algunos de los grandes obstáculos que enfrenta ahora o ha enfrentado en el pasado con respecto a la fotosíntesis artificial?

Es químicamente difícil tomar los fotones de luz y los electrones que se producen por todas partes en un material, y luego juntarlos para formar y romper los enlaces químicos que se necesitan para hacer la fotosíntesis real. Necesitamos desarrollar aquellos catalizadores que puedan hacer eso, así como también los materiales para absorber la luz para entregar esos electrones a esos catalizadores, de modo que todas las piezas del sistema trabajen juntas en armonía, todo al mismo tiempo.

¿Cuál es un ejemplo de tal catalizador?

Un catalizador en este momento que divide el agua en hidrógeno y oxígeno sería un metal costoso como el platino junto con otro metal costoso como el rutenio en forma de dióxido de rutenio. Sabemos que funcionan extremadamente bien. Simplemente son demasiado caros para pensar en usarlos para cubrir áreas muy grandes necesarias para aprovechar la luz solar. Sabemos que la naturaleza sabe cómo hacer esto. No usa metal. En las enzimas que los insectos usan para producir hidrógeno, usan hierro, un metal barato que sale del óxido. Usan níquel, las mismas cosas que solíamos usar para hacer nuestras monedas de cinco centavos. Por lo tanto, usan cosas realmente baratas, y tenemos que descubrir, como químicos, cómo hacer que los metales baratos funcionen tan bien como los costosos para tener realmente una tecnología asequible.

¿Qué es lo más importante que quieres que la gente sepa hoy?

Lo más importante es saber que si queremos llegar a un sistema de energía limpia, podemos obtener parte del camino con tecnología existente, con viento, con energía solar, con energía nuclear. Pero no puede llegar hasta allí simplemente haciendo más barato lo que sabemos. Los dos desafíos más importantes son cómo almacenar cantidades masivas de electricidad y cómo hacer combustible limpio para el 40 por ciento del transporte que no puede ser electrificado: nuestros barcos, nuestros aviones, nuestros camiones pesados. Y además de una cantidad limitada de biocombustibles, el único juego técnico en la ciudad que podría resolver ambos problemas que tenemos que resolver como planeta para lograr un futuro seguro, sostenible y ambientalmente responsable es hacer combustible del sol. Y es por eso que estamos trabajando tan duro en ese proyecto.

Escuche las entrevistas de EarthSky de 8 minutos y 90 segundos con Nate Lewis sobre fotosíntesis artificial, en la parte superior de la página.