El Sol proporciona más energía a la Tierra en una hora que la consumida por todo el planeta en un año. Algunos investigadores quieren imitar a quien mejor sabe aprovechar este enorme potencial: las hojas de los árboles. No es una tarea fácil, ya que su aparente sencillez esconde un complejo sistema que todavía hoy en día no se comprende por completo. Diversos equipos científicos de todo el mundo han conseguido algunos innovadores progresos, pero tendrán que esforzarse más para lograr unas hojas artificiales que logren su objetivo de manera eficiente y económica.
Utilizar la luz solar para dividir las moléculas de agua y aprovechar el hidrógeno como combustible es una de las más prometedoras tácticas para evitar el consumo de combustibles fósiles. Son palabras del doctor Di Zhang, de la Universidad Shanghai Jiao-Tong (China). Junto con un equipo de colaboradores de las universidades de California (EE.UU.) y de Saga (Japón) ha desarrollado un sistema para reproducir el diseño de las hojas y lograr este objetivo que daría al mundo una nueva fuente de energía renovable y ecológica.
El Sol proporciona más energía a la Tierra en una hora que la consumida por todo el planeta en un año
En un reciente número de la revista Advanced Materials, Zhang y sus compañeros explican que la novedad de su técnica consiste en copiar las estructuras jerárquicas de las hojas y reemplazar los pigmentos naturales por unos catalizadores artificiales de dióxido de titanio dopado con nitrógeno. Sus responsables aseguran que han aumentado la absorción de la luz solar y la actividad que provoca la separación de los átomos del agua con respecto a otros sistemas.
Según Zhang, la investigación de este tipo de sistemas artificiales no sólo supondrá el diseño de una nueva tecnología de energía solar, sino también la comprensión del funcionamiento de las plantas, que todavía hoy en día esconde diversas incógnitas. El científico chino explica que una hoja natural es una sinergia de estructuras elaboradas y componentes funcionales basada en un mecanismo muy complejo, la fotosíntesis. Las hojas atrapan la energía solar y la utilizan para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno de manera eficiente.
El equipo de Zhang señala que cualquier tipo de biomasa, incluido residuos agrícolas o de algas, podría servir en la fabricación de estas hojas artificiales. En su trabajo han utilizado como base diversos tipos de hojas, a las que han diluido en ácido clorhídrico para reemplazar los átomos de magnesio, esenciales en la fotosíntesis, por titanio. Tras secar y quemar las hojas para eliminar el material vegetal, han obtenido una muestra con dióxido de titanio cristalizado y muchas de las estructuras de las hojas naturales.
Diversos sistemas con un mismo objetivo
Una hoja natural es una sinergia de estructuras basada en un mecanismo muy complejo
Los métodos para llegar al mismo objetivo energético son muy diversos. Los ingenieros estadounidenses Michel Maharbiz, de la Universidad de California en Berkeley, Ruba Borno, de la Universidad de Michigan, y Joe Steinmeyer, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), trabajan en un prototipo que simula la transpiración de las hojas (la pérdida de agua mediante la evaporación), por el que las plantas bombean el agua de las raíces a su parte superior, por muy alta que sea.
Las hojas sintéticas de estos investigadores también evaporan el agua para crear un efecto de bombeo que se aprovecha para generar energía. En este caso, está fabricada a partir de láminas de cristal atravesadas por una red de diminutos canales ramificados llenos de agua, como las venas de una hoja natural. Al interrumpir de forma periódica el flujo de agua con burbujas de aire, se genera una pequeña corriente eléctrica. Los investigadores estadounidenses reconocen que la cantidad todavía es muy diminuta, pero se muestran optimistas en que es un buen comienzo para lograr un nuevo sistema energético.
Imagen: Agata UrbaniakEn la Universidad de Leiden (Holanda) se han basado en los clorosomas, las antenas con las que las bacterias aprovechan la luz solar, para crear su prototipo de hoja artificial. Sus responsables publicaban en 2009 un artículo en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) que detallaba su sistema.
Los investigadores holandeses explicaban que los clorosomas son los órganos de recolección solar más eficientes del mundo y que están adaptados para funcionar con cantidades mínimas de luz. Al estar constituidas de clorofila, creen que son la clave para imitar a las hojas y lograr en el futuro células solares de gran eficiencia. Si el ritmo de los descubrimientos continúa al nivel actual, sostienen, muy pronto se podrían crear aplicaciones muy diversas, como carreteras foto-luminiscentes capaces de convertir la luz en electricidad de forma sostenible. La investigación también les ha servido para entender mejor cómo funcionan estos receptores lumínicos bacterianos.
Dan Nocera, del MIT, es otro de los expertos que podría ofrecer avances importantes. En 2008, dio a conocer en la revista Science un sistema basado en diversos elementos baratos y abundantes, como el cobalto o el fósforo, con la capacidad de auto-reparación, de manera similar a las hojas naturales.
Por su parte, otro grupo de científicos se basa en el concepto de las hojas artificiales para crear combustibles que puedan utilizarse en el transporte. Estos investigadores, como Kazunari Domen, de la Universidad japonesa de Tokyo, pretenden utilizar el hidrógeno en pilas de combustible para producir electricidad o bien combinarlo con el dióxido de carbono (CO2) para hacer biocombustibles como el metanol.
A pesar de estos descubrimientos, los científicos reconocen que todavía quedan varios desafíos para lograr un sistema económico y eficiente. Hace más de una década, John Turner y Khaselev Oscar, del Laboratorio Nacional de Energía Renovable de EE.UU., crearon una hoja artificial que lograba producir hidrógeno, pero utilizaba metales raros y no era estable. En la actualidad, según Turner, los avances en este tipo de tecnología han sido pequeños, si bien las expectativas continúan.
Los científicos que tratan de imitar a la naturaleza (Biomímica) recuerdan que los seres vivos se han servido de la evolución a lo largo de millones de años para perfeccionar sus sistemas. David Britt, de la Universidad de California, estudia el interior de las estructuras biológicas y recuerda que en su conjunto son un misterio. Por ello, no es tan sencillo reproducir este conocimiento y aprovecharlo de forma artificial con investigaciones que no tienen más que unos pocos años de andadura.
