Una nueva subvención hará posible que investigadores de la Universidad de Rochester aprovechen las bacterias y los nanomateriales para imitar la fotosíntesis y producir energía limpia a base de hidrógeno.
Ante la creciente demanda de fuentes de energía limpias y sostenibles, los científicos se inspiran en el poder de la fotosíntesis. Con el objetivo de desarrollar técnicas nuevas y respetuosas con el medio ambiente para producir energía limpia a base de hidrógeno, un equipo de investigadores de la Universidad de Rochester se ha embarcado en un proyecto pionero para imitar el proceso natural de la fotosíntesis utilizando bacterias para suministrar electrones a un fotocatalizador semiconductor de nanocristales.
Aprovechando las propiedades únicas tanto de los microorganismos como de los nanomateriales, el proyecto podría sustituir a los métodos actuales de obtención de hidrógeno a partir de combustibles fósiles, revolucionando la forma de producir hidrógeno y abriendo una poderosa fuente de energía renovable.
El equipo dirigido por Kara Bren, catedrática de Química Richard S. Eisenberg, Todd Krauss, catedrático de Química, Anne S. Meyer, catedrática adjunta de Biología, y Andrew White, catedrático adjunto de Ingeniería Química, ha recibido una subvención de casi 2 millones de dólares durante tres años del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) para crear su «bio-nanosistema vivo» destinado a producir hidrógeno solar.
«El hidrógeno es sin duda un combustible de gran interés para el DOE en estos momentos«, afirma Bren. «Si logramos descubrir una forma de extraer hidrógeno del agua de manera eficiente, esto podría dar lugar a un crecimiento increíble de las energías limpias».
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¿Por qué el hidrógeno es una fuente de combustible prometedora?
El hidrógeno es «un combustible ideal», dice Bren, «porque es respetuoso con el medio ambiente y una alternativa libre de carbono a los combustibles fósiles».
El hidrógeno es el elemento más abundante del universo y puede producirse a partir de diversas fuentes, como el agua, el gas natural y la biomasa.
A diferencia de los combustibles fósiles, que producen gases de efecto invernadero y otros contaminantes, cuando se quema hidrógeno, el único subproducto es vapor de agua. El hidrógeno también tiene una alta densidad energética, lo que significa que contiene mucha energía por unidad de peso. Puede utilizarse en diversas aplicaciones, incluidas las pilas de combustible, y puede fabricarse tanto a pequeña como a gran escala, lo que lo hace viable para todo tipo de aplicaciones, desde el uso doméstico hasta la fabricación industrial.
¿Por qué es difícil producir hidrógeno?
A pesar de la abundancia de hidrógeno, prácticamente no hay hidrógeno puro en la Tierra; casi siempre está unido a otros elementos, como el carbono o el oxígeno, en compuestos como los hidrocarburos y el agua. Para utilizar el hidrógeno como fuente de combustible, hay que extraerlo de estos compuestos.
Históricamente, los científicos han extraído el hidrógeno de los combustibles fósiles o, más recientemente, del agua. Para conseguir esto último, existe un gran interés por emplear la fotosíntesis artificial.
Durante la fotosíntesis natural, las plantas absorben la luz solar, que utilizan para alimentar reacciones químicas que convierten el dióxido de carbono y el agua en glucosa y oxígeno. En esencia, la energía luminosa se convierte en energía química que alimenta al organismo.
Del mismo modo, la fotosíntesis artificial es un proceso de conversión de una materia prima abundante y de la luz solar en un combustible químico, como por ejemplo la producción de hidrógeno gaseoso a partir del agua.
Los sistemas que imitan la fotosíntesis requieren tres componentes:
- un absorbedor de luz,
- un catalizador para fabricar el combustible y,
- una fuente de electrones.
Estos sistemas suelen sumergirse en agua, y una fuente de luz proporciona energía al absorbedor de luz. La energía permite al catalizador combinar los electrones suministrados con los protones del agua circundante para producir hidrógeno gaseoso.
La mayoría de los sistemas actuales, sin embargo, dependen de combustibles fósiles durante el proceso de producción o no tienen una forma eficiente de transferir electrones.
«La forma en que se produce ahora el hidrógeno lo convierte en un combustible fósil», afirma Bren. «Queremos obtener hidrógeno a partir del agua en una reacción impulsada por la luz, de modo que tengamos un combustible realmente limpio, y hacerlo de forma que no utilicemos combustibles fósiles en el proceso».
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¿Qué hace que el sistema de Rochester sea único?
El grupo de Krauss y el de Bren llevan cerca de una década trabajando en el desarrollo de un sistema eficiente que emplee la fotosíntesis artificial y utilice nanocristales semiconductores como absorbentes de luz y catalizadores. Los nanocristales semiconductores son cristales diminutos hechos de materiales semiconductores. Debido a su pequeño tamaño -sólo están compuestos por unos pocos cientos o miles de átomos- tienen propiedades únicas que pueden ajustarse fácilmente. El laboratorio de Krauss ha hecho grandes avances en el desarrollo de puntos cuánticos eficientes, un tipo de nanocristal semiconductor.
«Nuestro papel en el proyecto se centra en fabricar las nanopartículas que absorben la luz y, a continuación, realizar mediciones de las tasas de transferencia de carga en el sistema», explica Krauss. «Esto nos ayudará a averiguar cómo ampliar el sistema y hacerlo más eficiente».
Otro reto al que se enfrentaron los investigadores fue encontrar una fuente de electrones y transferirlos eficazmente del donante de electrones al nanocristal. Otros sistemas han utilizado ácido ascórbico, conocido comúnmente como vitamina C, para devolver electrones al sistema. Aunque la vitamina C pueda parecer barata, «se necesita una fuente de electrones que sea casi gratuita o el sistema resultará demasiado caro», afirma Krauss.
En un artículo publicado en PNAS, Krauss y Bren muestran un donante de electrones poco probable: las bacterias. Descubrieron que la Shewanella oneidensis, una bacteria recogida por primera vez en el lago Oneida, al norte del estado de Nueva York, ofrece una forma eficaz y gratuita de proporcionar electrones a su sistema.
Aunque otros laboratorios han combinado nanoestructuras y bacterias, «todos esos esfuerzos consisten en tomar electrones de los nanocristales e introducirlos en las bacterias, para luego utilizar la maquinaria bacteriana para preparar combustibles», explica Bren. «Por lo que sabemos, el nuestro es el primer caso que va en sentido contrario y utiliza las bacterias como fuente de electrones para un catalizador de nanocristales».
Figura 1. La bactería Shewanella oneidensis parece ser la clave para producir hidrógeno limpio a partir de la fotosíntesis artificial.
¿Qué hace que las bacterias sean un eficaz donante de electrones?
Cuando las bacterias crecen en condiciones anaeróbicas -condiciones sin oxígeno- respiran sustancias celulares como combustible, liberando electrones en el proceso. La Shewanella oneidensis puede tomar los electrones generados por su propio metabolismo interno y donarlos al catalizador externo.
«Esta técnica es muy prometedora porque puede producir hidrógeno de forma eficiente y depender únicamente de fuentes sostenibles de electrones y energía», afirma Meyer, cuyo laboratorio ya ha trabajado anteriormente con la bacteria Shewanella oneidensis para producir materiales con propiedades únicas.
En este proyecto, su laboratorio está diseñando y creando nuevas cepas de Shewanella con mayor capacidad para transferir electrones. Aplicarán sus técnicas pioneras de impresión 3D para imprimir material vivo que pueda incorporar puntos cuánticos.
«Combinando nuestra bacteria modificada con el fotocatalizador desarrollado por los laboratorios Bren y Krauss, podremos crear materiales físicamente robustos y duraderos que harán más rápida y eficaz la reacción de producción de hidrógeno», afirma Meyer.
Como el sistema es tan complejo, los investigadores utilizarán técnicas de «machine learning» e inteligencia artificial para determinar qué factores y variables pueden modificarse para optimizar el sistema; por ejemplo, predecir qué geometrías impresas en 3D tienen más probabilidades de producir hidrógeno de forma más eficiente.
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Ciencia básica y aplicación
Aunque el objetivo final es desarrollar un mejor sistema para producir combustible de hidrógeno, Bren también se ha comprometido a comprender la ciencia básica que hay detrás del proyecto.
«Por ejemplo, ¿cómo podemos llevar los electrones de las bacterias a los puntos cuánticos de la forma más eficaz? ¿Cómo funcionan juntos los nanomateriales y los microorganismos?».
Bren imagina que, en el futuro, los hogares podrían disponer de depósitos y tanques subterráneos para aprovechar la energía del sol y producir y almacenar pequeños lotes de hidrógeno, lo que permitiría a la gente alimentar sus casas y coches con un combustible barato y limpio. Bren señala que actualmente hay trenes, autobuses y coches que funcionan con pilas de combustible de hidrógeno, pero casi todo el hidrógeno disponible para alimentar estos sistemas procede de los combustibles fósiles.
«La tecnología está ahí fuera», dice, «pero hasta que el hidrógeno no proceda del agua en una reacción impulsada por la luz -sin utilizar combustibles fósiles- no estará ayudando realmente al medio ambiente».
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