Hojas artificiales flotantes producen combustible del sol y el agua
Científicos de Cambridge presentan en Nature unas "hojas artificiales" flotantes que generan combustibles limpios a partir de la luz solar y el agua, y podrían funcionar a gran escala en el mar.
El equipo ha diseñado unos dispositivos ultrafinos y flexibles que se inspiran en la fotosíntesis, el proceso por el que las plantas convierten la luz solar en alimento. Como estos dispositivos autónomos de bajo coste son lo suficientemente ligeros como para flotar, podrían utilizarse para generar una alternativa sostenible a la gasolina sin ocupar espacio en tierra.
Las pruebas al aire libre realizadas con estas hojas ligeras en el río Cam, cerca de lugares emblemáticos de Cambridge como el Puente de los Suspiros, la Biblioteca Wren y la Capilla del King's College, demostraron que pueden convertir la luz solar en combustible con la misma eficacia que las hojas de las plantas.
Es la primera vez que se genera combustible limpio en el agua y, si se amplía, las hojas artificiales podrían utilizarse en vías navegables contaminadas, en puertos o incluso en el mar, y podrían ayudar a reducir la dependencia de la industria naviera mundial de los combustibles fósiles.
Mientras que las tecnologías de energías renovables, como la eólica y la solar, se han abaratado considerablemente y están más disponibles en los últimos años, para industrias como la del transporte marítimo, la descarbonización es una tarea mucho más difícil. Alrededor del 80% del comercio mundial se transporta en buques de carga propulsados por combustibles fósiles y, sin embargo, el sector ha recibido muy poca atención en los debates sobre la crisis climática.
Durante varios años, el grupo de investigación del profesor Erwin Reisner en Cambridge ha estado trabajando para abordar este problema mediante el desarrollo de soluciones sostenibles para la gasolina que se basan en los principios de la fotosíntesis. En 2019, desarrollaron una hoja artificial que fabrica syngas -un intermediario clave en la producción de muchos productos químicos y farmacéuticos- a partir de la luz solar, el dióxido de carbono y el agua.
El prototipo anterior generaba combustible combinando dos absorbentes de luz con catalizadores adecuados. Sin embargo, incorporaba gruesos sustratos de vidrio y revestimientos protectores contra la humedad, lo que hacía que el dispositivo fuera voluminoso.
"Las hojas artificiales podrían reducir sustancialmente el coste de la producción de combustible sostenible, pero como son pesadas y frágiles, son difíciles de producir a escala y de transportar", explica el doctor Virgil Andrei, del Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge, coautor del artículo.
"Queríamos ver hasta qué punto podíamos reducir los materiales que utilizan estos dispositivos sin que ello afectara a su rendimiento --explica Reisner, que dirigió la investigación--. Si podemos reducir los materiales lo suficiente como para que sean lo bastante ligeros como para flotar, se abrirán nuevas posibilidades de uso de estas hojas artificiales".
Para la nueva versión de la hoja artificial, los investigadores se inspiraron en la industria de la electrónica, donde las técnicas de miniaturización han llevado a la creación de teléfonos inteligentes y pantallas flexibles, revolucionando el campo.
El reto para los investigadores de Cambridge era cómo depositar los absorbentes de luz en sustratos ligeros y protegerlos contra la infiltración de agua. Para superar estos retos, el equipo utilizó óxidos metálicos de capa fina y materiales conocidos como perovskitas, que pueden recubrirse sobre láminas flexibles de plástico y metal.
Los dispositivos se cubrieron con capas de carbono micrométricas y repelentes al agua que impedían la degradación por la humedad. El resultado fue un dispositivo que no sólo funciona, sino que parece una hoja real.
"Este estudio demuestra que las hojas artificiales son compatibles con las técnicas de fabricación modernas, lo que representa un primer paso hacia la automatización y la ampliación de la producción de combustible solar --afirma Andrei--. Estas hojas combinan las ventajas de la mayoría de las tecnologías de combustible solar, ya que consiguen el bajo peso de las suspensiones de polvo y el alto rendimiento de los sistemas cableados".
Las pruebas de las nuevas hojas artificiales demostraron que pueden dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, o reducir el CO2 a syngas. Aunque habrá que introducir mejoras adicionales antes de que estén listas para aplicaciones comerciales, los investigadores afirman que este avance abre nuevas vías de trabajo.
"Las granjas solares se han hecho populares para la producción de electricidad; nosotros imaginamos granjas similares para la síntesis de combustible --indica Andrei--. Podrían abastecer a asentamientos costeros, islas remotas, cubrir estanques industriales o evitar la evaporación del agua de los canales de riego".
"Muchas tecnologías de energía renovable, incluidas las de combustible solar, pueden ocupar gran cantidad de espacio en tierra, por lo que trasladar la producción a aguas abiertas significaría que la energía limpia y el uso de la tierra no compiten entre sí --prosigue Reisner--. En teoría, se podrían enrollar estos dispositivos y colocarlos en casi cualquier lugar, en casi cualquier país, lo que también ayudaría a la seguridad energética".