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| Portada del libro Solar, cualquiera diría que apenas trataba sobre el sol. |
Terminé hace poco de leer Solar de Ian McEwan, una novela a la que dedicaré unas palabras. Aunque me decepcionó profundamente la trama (no me esperaba una novela psicológica), despertó mi curiosidad respecto a algunas cuestiones en el campo de la biónica. La novela proponía, como tema secundario y poco mencionado, un desarrollo innovador de la fotosíntesis artificial (FA) en combinación con células fotovoltaicas. La cuestión es que la fotosíntesis artificial es una realidad desde hace ya algunos años y actualmente, se siguen descubriendo nuevos materiales que mejoran el proceso. Por desgracia, la energía necesaria para la producción de hidrógeno es mayor que la producida, por lo tanto, ¿qué hay de innovador en el tema que desarrollaba (malamente) el libro? Pues bien, profundicemos y saciemos esta curiosidad que me carcome.
Para explicar la fotosíntesis artificial tenemos que saber antes en qué se parece a su homóloga natural. La fotosíntesis se define como el proceso realizado por plantas que convierte la energía solar en energía química ¿cómo? Los fotones inciden sobre las moléculas captadoras (pigmentos encargados de captar la energía, como la clorofila) excitándolas y haciendo que emitan electrones. Las moléculas quedarán cargadas positivamente siempre que la energía del fotón sea la suficiente como para que no vuelvan a su estado basal. Los electrones emitidos serán captados por un agente reductor activando el proceso. La transferencia de energía se llevará acabo pues, por los pigmentos hacia el centro de reacción (todo ello conformará el fotosistema).
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| Esquema de un fotosistema. |
Simultánea a la transferencia, se producirá una electrólisis de moléculas de agua que aporte electrones para continuar con la reacción. Entramos ahora en un punto clave: la electrólisis del agua. Para esto ponemos algunas citas de la novela: "El agua fue disociada por primera vez en hidrógeno y oxígeno en 1789, los principios de la pila de combustible se comentaron por primera vez en 1839"; "El sol despuntaría, los paneles producirían gases a partir de agua, los gases activarían las turbinas, la electricidad circularía..." . Bien, el agua sufre una electrólisis en la que la molécula de H2O se descompone en los gases hidrógeno (H2) y oxígeno (O2) de la siguiente forma:
Cátodo: 2 H2O + 2 e- > H2 + 2 OH-
Ánodo: 2 H2O > O2 + 4 H+ + 4 e-
Ya tenemos los gases a partir del agua que se hacen referencia en la frase. Para que se produzca la electrólisis en una planta son necesarios una serie de factores: un cátodo donde se concentre el hidrógeno (moléculas de NADP+ que catalizan la oxidación), un ánodo donde se concentre el oxígeno (que se libera al aire), un electrolito o catalizador (los fotosistemas) y una fuente de energía (las moléculas captadoras que absorberán la luz solar).
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| Comparación electrólisis del agua artificial con la que se produce en una planta. ( ) Fotosíntesis |
De esta forma, la fuente de energía la conformarán los electrones excitados de los pigmentos captadores creando una corriente eléctrica que disocie el agua y produciendo hidrógeno. ¿Para qué entonces la fotosíntesis artificial? Para la producción de hidrógeno que podrá ser utilizado como combustible industrial para células de combustible (celda de hidrógeno), sistemas similares a baterías que se utilizan como aplicación en lugares remotos como naves espaciales, grandes parques, localizaciones rurales, etc. Importante la localización ya que dependiendo de ella, será más económico o no una instalación eléctrica convencional o una pila de combustible, caracterizada por su reabastecimiento de reactivos. La convencional difícilmente será aplicable en naves espaciales.
Continuemos con la novela donde se comentaba la combinación de las células fotovoltaicas con la FA. En efecto, la fotosíntesis artificial requiere de células que obedezcan al efecto fotovoltaico pero no por ello correspondan a las células fotovoltaicas propiamente dichas. La energía solar fotovoltaica produce una corriente eléctrica a partir de los electrones que liberen los módulos fotovoltaicos cuando los fotones inciden sobre ellos. Estos módulos o celdas fotovoltaicas se componen de materiales semiconductores sensibles a la luz (como el silicio monocristalino) que experimentan el efecto fotoeléctrico. El proceso es el siguiente: el material semiconductor absorbe fotones de la luz solar provocando el salto de electrones hacia las capas superiores más iluminadas de la superficie del material; debido a esto, se crean zonas con distinta carga (la cara iluminada, carga negativa, y la cara oscura, carga positiva). Obtenemos pues un campo eléctrico con dos zonas bien diferenciadas. Estas dos zonas están conectadas eléctricamente por un material conductor, lo que provoca una diferencia de potencial que a su vez produce una corriente eléctrica continua para equilibrar las cargas. Así obtenemos la electricidad solar de paneles fotovoltaicos.
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| Corriente eléctrica producida por la célula fotovoltaica (absorción de la radiación UV y visible). |
La fotosíntesis artificial es posible gracias a un tipo muy parecido de células: las fotoelectroquímicas, donde además de corriente eléctrica, se produce simultáneamente una sustancia química de interés, que es la que actúa como electrolito (pensemos que el agua pura tiene la millonésima parte de conductividad eléctrica que el agua del mar). De esta forma, la corriente eléctrica creada se utilizará para la electrólisis del agua, que requiere una gran cantidad de energía, y con ello la obtención de hidrógeno. Se distinguen varias células utilizadas para la fotosíntesis artificial: las células fotolíticas y las células Gräetzel.
Las células fotolíticas o fotoeléctricas están basadas en el efecto fotoeléctrico ya mencionado anteriormente y son muy similares a las células fotovoltaicas. Se basan en la electrólisis del agua y la producción de gas hidrógeno. Los modelos ofrecen baja eficacia.
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| Esquema muy básico de la célula Gräetzel. |
Las celdas Gräetzel o de inyección son células solares de dióxido de titanio (TiO2) sensibilizadas por colorantes de origen vegetal (los pigmentos captadores ya mencionados) y electrolitos. Esta combinación permite que las celdas capten además de radiación UV (6,2% de la radiación solar), la radiación visible (44,3%) (algunas aplicaciones del TiO2). Resultan más económicas que las anteriores por la cantidad de materia prima utilizada (películas muy delgadas). El semiconductor (TiO2) es fabricado como una superficie nanocristalina, una red de partículas interconectadas con tamaños de menos de 100 nm de diámetro. De esta manera, puede absorber hasta 2000 veces más colorante que en una superficie plana, ya que se aumenta la superficie de exposición. El funcionamiento es similar al de los paneles fotovoltaicos: la luz solar incide sobre las moléculas del colorante, que se excitan liberando electrones a niveles superiores desde donde son inyectados en la banda de conducción del semiconductor (TiO2 en este caso), en la zona más superficial. Se creará entonces un hueco con diferencias de carga, produciéndose un campo eléctrico y posteriormente una corriente eléctrica, utilizada para la electrólisis.
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| Funcionamiento de una célula de inyección. |
Quedaría ahora explicar para qué usos se destinaría el combustible obtenido: el hidrógeno. "... producirían gases a partir de agua, los gases activarían las turbinas, la electricidad circularía...". Fundamentalmente, la producción de hidrógeno se destinaría a las celdas de hidrógeno ya mencionadas anteriormente. Pero entendamos que por "los gases activarían las turbinas" el hidrógeno sufre una combustión interna semejante a la producida en un motor convencional de gasolina, por ejemplo, moviendo las turbinas conectadas a un alternador y produciendo electricidad.
Concluyendo, el libro no estaba mal pero le hizo falta más chicha científica para mi gusto. La eterna pregunta en las renovables y más concretamente en la fotosíntesis artificial es: al final del proceso ¿se produce más electricidad que la gastada para la electrólisis? ¿Cuánta electricidad fue empleada para la producción de los materiales? Por el momento, el balance energético es negativo, pero tiempo al tiempo.
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