LA FOTOSÍNTESIS ARTIFICIAL: UN NUEVO RETO PARA MITIGAR EL CALENTAMIENTO GLOBAL Y ASEGURAR EL SUMINISTRO ENERGÉTICO EN UN FUTURO PRÓXIMO

El desarrollo de nuevas e innovadoras vías de valorización de CO2 mediante su transformación en productos con alta demanda (principalmente combustibles) ha aumentado considerablemente en la actualidad debido a la necesidad de avanzar hacia un modelo energético más sostenible que permita mitigar el cambio climático. En este contexto se sitúan una serie de procesos que, inspirados en la fotosíntesis natural, utilizan la energía solar para producir otros tipos de energía a partir de CO2 y H2O.

Autores: [Julio Núñez Casas y Laura Collado Brunete. Grupo de Procesos Termoquímicos. IMDEA Energía]

Según la AIE (Agencia Internacional de la Energía), para evitar daños catastróficos e irremediables al clima mundial se requiere una importante descarbonización de las fuentes de energía del mundo. A pesar de esta advertencia, el último informe ejecutivo realizado por la propia AIE refleja que en la actualidad las fuentes de energía de carácter fósil (petróleo, carbón y gas natural respectivamente) siguen aportando conjuntamente más del 70% de la energía primaria consumida. Si a este hecho añadimos que según las previsiones estimadas durante los próximos años no se esperan grandes cambios en el origen de la energía primaria, el panorama energético a medio-largo plazo no es muy halagüeño. Como respuesta a esta situación  los gobiernos de todo el mundo se plantean nuevas líneas de actuación y políticas energéticas más sostenibles encaminadas a mitigar el cambio climático.

Una de las alternativas más prometedoras que se plantea como solución para reducir el efecto invernadero y a la vez asegurar el suministro energético en un futuro próximo es la “fotosíntesis artificial”. El término fotosíntesis artificial se aplica a aquellos procesos que, inspirados en la fotosíntesis natural, utilizan la energía solar para producir otros tipos de energía. Los dos principales procesos que podrían ser catalogados como “fotosíntesis artificial” son la producción de hidrógeno (H2) a partir de agua (H2O) y la fotorreducción de CO2 usando agua (H2O) como agente reductor. Ambos procedimientos se basan en métodos fotocatalíticos, o lo que es lo mismo, una reacción catalítica que involucra  el uso de luz solar como fuente de energía. Los catalizadores empleados en este tipo de procesos son materiales semiconductores, capaces de absorber luz y generar pares electrón-hueco que reaccionen con especies activas en la superficie del catalizador y den lugar a la reacción fotocatalítica [1].

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Figura 1. Esquema comparativo entre la fotosíntesis y la fotorreducción de CO2.

Durante el proceso de fotosíntesis, las plantas convierten la energía de la luz solar en energía química a través de un ciclo de reacciones catalizadas por sistemas enzimáticos. De forma análoga, la fotosíntesis artificial trata de imitar el proceso natural mediante la absorción de luz por el material semiconductor y la transformación de esa energía luminosa en combustibles, partiendo en ambos casos únicamente de CO2 y H2O (Figura 1). En la naturaleza este proceso se divide en dos etapas:

1)      La fase luminosa de la fotosíntesis, donde tras la absorción de la luz solar por las plantas se produce la fotólisis de la molécula de agua, dando como productos resultantes H2 y O2 [2]. Este proceso equivaldría al denominado “water-splitting” (Oxidación de agua) y da lugar a la producción de H2 que es considerado como un vector energético limpio.

2)      Por otro lado, durante la fase oscura de la fotosíntesis tiene lugar la fijación del CO2 atmosférico que, junto con agua y la energía almacenada durante la fase anterior, es empleado para la síntesis de compuestos orgánicos como la glucosa [2]. En la fotosíntesis artificial esta etapa equivaldría a los procesos de fotorreducción de CO2, que al igual que el agua necesita un gran aporte energético para disociarse. Esta energía es obtenida a partir de radiación UV/vis que favorece la reducción de CO2 y la producción de hidrocarburos (gracias al H2 proveniente del agua) que pueden ser empleados como combustibles, tales como metano (CH4), metanol (CH3OH), etanol (CH3CH2OH) y ácido fórmico (HCOOH) [3].

Por lo tanto una alternativa muy interesante para la síntesis de hidrocarburos es la combinación de ambas etapas: los procesos de fotorreducción de CO2 y “water-splitting” [4]. Estos procesos cuentan con el potencial de poder emplear dos de los recursos más abundantes en la Tierra, agua y luz solar, en un proceso análogo a la fotosíntesis. No obstante, esta línea de trabajo aún requiere de un importante esfuerzo en investigación y desarrollo para su futura viabilidad tanto a nivel económico como científico-técnico, especialmente mediante la optimización de fotocatalizadores adecuados para su uso dentro del rango de la región visible del espectro solar.

En definitiva, el desarrollo de estos procesos constituye una alternativa de valorización del CO2 muy interesante, que permitiría, si se alcanza la eficiencia necesaria, reducir los niveles de concentración atmosférica de este gas de efecto invernadero mediante su transformación en combustibles de alto contenido energético.

[1] Usubharatana P, McMartin D, Veawab A, Tontiwachwuthikul P. Photocatalytic process for CO2 emission reduction from industrial flue gas streams. Ind. Eng. Res. 2006, 45, 2558-2568. 

[2] Blankenship R. Mechanisms of Photosynthesis. Blackwell Science Ltd., 2002.

[3] Indrakanti VP, Kubicki JD, Schobert HH. Photoinduced activation of CO2 on Ti-based heterogeneous catalyst: current state, chemical physics-based insights and outlook. Energy Environ. Sci., 2009, 2, 745-758.

[4] Roy S, Varghese O, Paulose M, Grimes C. Towards Solar Fuels: Photocatalytic Conversion of Carbon Dioxide to Hydrocarbons. J. Am. Chem. Soc. 2010, 4, 1259-1278.

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Comentarios

El estudio sobre la fotosíntesis artificial tiene un gran valor científico, de esto no cabe duda, pero de momento y hasta conseguirlo creo que existen fuentes energéticas de baja entalpia que pueden ser utilizadas para obtener trabajo convertible en energía eléctrica y posteriomente realizar la electrolisis de “toda la vida”. Durante el invierno, cumbres a menos de 0ºC

[...] This post was mentioned on Twitter by Paco Sempere Ibañez, alberto vagoyk. alberto vagoyk said: FOTOSÍNTESIS ARTIFICIAL, ¿EVITAREMOS CALENTAMIENTO INSOSTENIBLE DEL PLANETA? http://t.co/cVOZG5s vía @AddThis [...]

El problema con el carbón no es su supuesta influencia en el cambio climático. Los que nos negamos a que deba existir una ciencia claudicante ante lo políticamente correcto, leemos a gente como Vaclav Smil y así descubrimos cual es el verdadero problema con el carbón.

Hola, queria saber si me pudieran responder esta pregunta urgente. Si pongo a hacer el efecto invernadero de plantas atravez de una pequena planta plantada en tierra y abajo de la tierra hay arena fina y mas abajo piedritas, todo esto en un tarro grande cerrado y regado una vez cual es el proceso deinvernadero.

Gracias,
agradesco la respuesta si puede ser rapida.
ChaU

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