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, alterando de está manera, 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 la rápida industrialización de la Tierra alcanzará los 10 mil millones para 2050. En ese sentido, es urgente alternativas de energías limpias que puedan volver a la normalidad el aire y el equilibrio en nuestro mundo.
Investigadores del Centro de Biodiseño de ASU para el Descubrimiento Estructural Aplicado están explorando nuevas tecnologías que podrían allanar el camino hacia las energías limpias y sostenibles para ayudar a satisfacer la abrumadora demanda global.
En una nueva investigación que aparece en el Journal of the American Chemical Society (JACS), el diario insignia de la ACS, 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 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, incluidos combustibles, plásticos y materiales de construcción.
«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», dice Moore, quien es profesor asistente en la Facultad de Ciencias Moleculares de ASU.
Continua expresando Moore: «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 el sol como Arizona, con grandes paneles solares que cubren varios hectáreas y que son capaces de alimentar miles de hogares.
«Pero solo tener acceso a la energía solar utilizando energía fotovoltaica no es suficiente», señala Moore. 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 Nature puede ayudar a los investigadores a aprovechar la energía radiante del sol para generar combustibles sostenibles. «Una cosa está clara», dice Moore. «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. «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», comunica Moore.
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. «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», dijo Wadsworth.
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.
«Describimos las actividades de formación de combustible de estos materiales híbridos en función de la intensidad de la luz y también del potencial», dice Wadsworth. (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. «En este sistema en particular, no estamos limitados por la rapidez con que el catalizador puede conducir la reacción química», dice Moore. «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. Brian, Anna, Diana y Edgar han demostrado en sus experimentos que aumentar la intensidad de la luz aumenta la velocidad de formación de combustible».
El descubrimiento tiene implicaciones para el diseño futuro de tales dispositivos con miras a maximizar sus eficiencias. «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».
Figura 1. 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. Foto cortesía de: Instituto de Biodiseño de la Universidad Estatal de Arizona.
Rayo de esperanza
Queda mucho por hacer antes de que tales soluciones de energía solar a combustibles estén listas para el horario estelar. Para Hacer que estas tecnologías sean prácticas para las demanda global requiere eficiencia, accesibilidad y estabilidad. «Las asambleas biológicas tienen la capacidad de auto repararse y reproducirse; las asambleas tecnológicas han sido limitadas en este aspecto. Es un área donde podemos aprender más de la biología», señala Moore.
La tarea difícilmente podría ser más urgente. Se proyecta que la demanda mundial de energía aumentará de alrededor de 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. «Hay una cuestión real de cómo vamos a satisfacer nuestras futuras demandas de energía. Si vamos a hacerlo de una manera ecológica e igualitaria, se requerirá un compromiso político serio».
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 principios clave, particularmente la interacción entre la intensidad de la iluminación, la absorción de la luz y la catálisis también deberían aplicarse a otros materiales», dice Moore.
Noticia de: Phys.org / Traducción libre del inglés por WorldEnergyTrade.com
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