jueves, 26 de junio de 2008

Fotosíntesis artificial

En 1912, el químico italiano Giacomo Ciamician publicaba en la revista Science su nueva idea acerca de una alternativa energética a los combustibles fósiles. Ciamician soñó con futuras centrales energéticas donde "bosques de tubos de vidrio cubrirían llanuras enteras", en el interior de los cuáles la luz del sol serviría para que el hombre aprovechara "el custodiado secreto de las plantas".


Casi un siglo después, el sueño de Ciamician parece estar más cerca que nunca de hacerse realidad. Investigadores de todo el Mundo están desarrollando métodos para obtener energía limpia de una forma sencilla, aprovechando la misma idea que explotan las células vegetales, es decir, transformar la energía solar en energía electroquímica empleando moléculas sensibles a la luz.


La fotosíntesis es un proceso cuya finalidad fue ya intuida por Van Helmont a principios del siglo XVII. Sin embargo, la comprensión de su base molecular, imprescindible para poder ser imitada artificialmente con el fin de obtener energía, sólo ha podido lograrse a lo largo de la segunda mitad del siglo XX.

Los libros de Ciencias Naturales generalmente definen la fotosíntesis como la producción de glucosa a partir de dióxido de carbono atmosférico (CO2) y agua, gracias a la luz solar, según la reacción global:




Sin embargo, esto no es más que una simplificación de un proceso muy complejo, en el cuál la etapa clave es la rotura de una molécula de agua por la luz solar, liberándose oxígeno gaseoso, iones hidrógeno y electrones. Estos últimos servirán para reducir el CO2 hasta glucosa en las etapas siguientes de la fotosíntesis:





Puesto que la molécula de agua es muy estable, esta reacción requiere de una elevada cantidad de energía, que es suministrada por la luz solar y necesita de la presencia de un catalizador adecuado para que tenga lugar. El catalizador que emplean las plantas se llama Fotosistema II, un asombroso colector solar en miniatura de estructura muy compleja y tremendamente eficaz. El Fotosistema II contiene varias moléculas de proteína, que son el armazón del complejo, unas cuantas moléculas de clorofila, que son las encargadas de recolectar la energía solar, y un centro de reacción, que contiene cuatro átomos de manganeso y es el encargado de romper la molécula de agua. Esta increíble máquina molecular se localiza en el interior de las membranas internas de los cloroplastos, orgánulos presentes en las células vegetales.

Los electrones liberados por el proceso de ruptura del agua son transferidos a una cadena de moléculas transportadoras de electrones, a partir de la cuál la planta obtiene el poder reductor que necesita para fabricar glucosa. Mientras, los iones de hidrógeno se acumulan en el interior de la membrana del cloroplasto, lo que permite crear una diferencia de concentración y de potencial eléctrico. A partir de esa diferencia la planta puede producir energía en forma de la unidad básica de energía de los seres vivos: el ATP. En resumen, el Fotosistema II es una máquina que transforma la energía solar en energía electroquímica aprovechable, de una forma mucho más eficaz que cualquier célula solar creada por ingenieros humanos.

La aparición de la fotosíntesis oxigénica, basada en la ruptura del agua usando luz solar, marcó el hito más importante en la historia de la vida, puesto que permitió el desarrollo de organismos mucho más activos, a la vez que produjo la mayor catástrofe ecológica de la historia de la Tierra: la acumulación del oxígeno (material de desecho de la fotosíntesis) en la Atmósfera, que cambiaría la faz de nuestro planeta para siempre.


Los ingenieros copian a la naturaleza

La esencia del proceso de fotosíntesis no consiste sólo en conseguir captar la energía solar. Existen muchos materiales y moléculas que son capaces de excitarse con la luz, pero que son inútiles como medio para obtener energía, ya que la energía solar captada se disipa rápidamente y se transforma en calor, lo que reduce en gran medida la eficacia del proceso de conversión de energía.

La clave reside en conseguir separar las cargas eléctricas formadas gracias a la rotura de la molécula de agua, para poder obtener una diferencia de potencial eléctrico aprovechable. Las plantas lo consiguen gracias a la división en membranas internas del cloroplasto y al perfecto funcionamiento del Fotosistema II, que es capaz de enviar los iones H+ hacia un lado de la membrana y los electrones liberados hacia el otro lado. Si el hombre quiere copiar a la naturaleza, no basta con disponer de una molécula capaz de absorber la luz solar: se debe idear un método para separar las cargas eléctricas liberadas empleando la energía recolectada. Además, sería deseable que el proceso fuera cíclico, de forma que los intermedios originados durante el proceso se regeneren de forma perfecta, para que éste pueda repetirse indefinidamente. De este modo, dispondríamos de un convertidor perfecto de luz solar en energía eléctrica, que funcionaría eternamente, sin necesidad de usar ningún tipo de combustible químico.

Para conseguir este fin, se han propuesto diferentes soluciones, pero los resultados más prometedores no han aparecido hasta los últimos dos o tres años.


Cloroplastos artificiales y otros intentos prometedores

Desde la década de 1970, muchos científicos han intentado construir sistemas artificiales capaces de emular la fotosíntesis. Generalmente, en ellos se sustituye el pigmento natural (la clorofila) por otros compuestos químicos, orgánicos o inorgánicos, capaces de captar la luz. El problema consiste, generalmente, en saber qué hacer con estos electrones liberados (tarea que es realizada en la naturaleza por el Fotosistema II y las membranas del cloroplasto).

En 1981 se fabricó el primer cloroplasto artificial, que contenía una mezcla de compuestos orgánicos sintéticos relacionados con la clorofila y que, al ser iluminado, era capaz de llevar a cabo la reacción de rotura del agua, produciendo H2 y O2 gaseosos. Por supuesto, su tamaño era muchísimo mayor que el de los cloroplastos naturales, y además su eficacia de conversión de energía lumínica en energía química era muy pequeña. Sin embargo, constituyó el primer paso hacia la construcción de un dispositivo fotosintético artificial que funcionara realmente.

En 1998, el equipo de Tom Moore, en la Arizona State University, perfeccionó el método añadiendo una modificación muy interesante. Su cloroplasto artificial estaba formado por una vesícula rodeada de una cubierta similar a las membranas de los cloroplastos naturales. Incluidas en la membrana se encontraban las moléculas captadoras de luz (clorofilas modificadas sintéticamente), y otros compuestos añadidos con el fin de producir una acumulación de iones H+ en el interior de la membrana (exactamente igual que en los cloroplastos naturales). La idea genial fue añadir a la membrana la enzima ATP-sintasa, que está también presente en los cloroplastos naturales y es la responsable de aprovechar la diferencia de concentración de H+ para sintetizar ATP. De este modo, el cloroplasto artificial de Moore se comporta de forma mucho más parecida a los cloroplastos reales, fabricando ATP a partir de energía solar, pero con muchos menos componentes que la cadena fotosintética natural. Moore reconoció que, diez años atrás, él mismo no hubiera podido creer que fuera posible fabricar semejante dispositivo. Hoy en día está investigando sus posibles aplicaciones prácticas.

En 1999, los estadounidenses D. Kuciauskas y J. Lindsey intentaron un método más imaginativo. Unieron químicamente cuatro moléculas de clorofila formando una cadena, a lo largo de la cuál pueden circular los electrones y, al final de la cadena, situaron una bola de fullereno C60, la famosa molécula de carbono con forma de balón de fútbol, cuyos usos imprevistos están resultando ser de lo más variado. Cuando la luz incide sobre el sistema, los electrones emitidos son transportados hasta la bola de fullereno, que queda cargada eléctricamente y mantiene estable su carga. El único paso que falta para poder aprovechar este sistema de forma práctica es encontrar una utilidad para el fullereno cargado así obtenido. Es decir, encontrar una reacción química en la que desprenda la energía que ha almacenado.


Células fotoelectroquímicas. Reinventando la fotosíntesis

Sin embargo, la idea que, en la actualidad, parece ser más susceptible de ser explotada industrialmente se basa en el empleo de células o pilas fotoelectroquímicas, dispositivos similares a las habituales pilas eléctricas y, como ellas, divididas en dos compartimentos (ánodo y cátodo), lo cuál asegura la separación de cargas y la formación de una corriente eléctrica. La diferencia con las pilas corrientes (electroquímicas) está en que las células fotoelectroquímicas sólo funcionan cuando la luz incide sobre ellas, excitando los electrones, con lo cuál la electricidad producida procede de la luz solar, y no de la energía química, como sucede en las pilas habituales. Esto hace pensar que, en principio, una pila fotoelectroquímica sería inagotable.

Para que la célula funcione, es necesario que estén presentes en la disolución dos especies químicas capaces de ceder y aceptar electrones, respectivamente (las llamadas A y B+ en el esquema). Idealmente, para que se cerrara el ciclo, y la pila funcionara eternamente, las especies formadas, A+ y B, deberían reaccionar de forma espontánea entre sí en la disolución, regenerándose las moléculas de A y B+ iniciales. El desafío tecnológico consiste en encontrar las especies químicas A y B+ adecuadas.

En la fotosíntesis natural, la especie que cede electrones (A) es el agua y la que los acepta finalmente (B+), el CO2, pero en la práctica se deberían emplear otras moléculas, ya que el ciclo de regeneración de la glucosa y el oxígeno es increíblemente complicado. En la Naturaleza, las moléculas formadas, de O2 y glucosa, se regeneran mediante el proceso opuesto a la fotosíntesis, es decir, la respiración de los seres vivos, que las vuelve a transformar en CO2 y agua. Se podría considerar toda la Biosfera como una enorme pila fotoelectroquímica de dimensiones gigantescas, en la cuál los cloroplastos serían el ánodo que absorbe la energía solar, las mitocondrias donde se produce la respiración serían el cátodo en el cuál acaban finalmente los electrones, y el conjunto de la atmósfera, la hidrosfera y la biomasa serían la disolución electrolítica en la cuál coexisten las moléculas de agua, CO2, O2 y glucosa. Esta colosal célula fotoelectroquímica global funciona en un ciclo cerrado desde hace miles de millones de años, convirtiendo la energía solar en energía útil, y no parece que dé muestras de agotarse.

El reto de los ingenieros humanos es construir algo parecido, pero que tenga el tamaño de una pila eléctrica habitual. La búsqueda de las moléculas adecuadas para cerrar el ciclo y obtener una célula fotoelectroquímica perfecta continúa activamente en la actualidad, y no sería sorprendente que en un futuro próximo se puedan construir pilas solares inagotables , cuya eficacia de conversión energética sería mayor que las células solares actuales, que están basadas en principios físicos, y no químicos.


Más difícil todavía: fotosíntesis en disoluciones homogéneas

Aunque, como hemos visto, la forma más eficaz de imitar la fotosíntesis es lograr una separación de cargas mediante membranas o diferentes compartimentos, los científicos no se conforman con esto, e intentar diseñar sistemas en los que ocurra un proceso similar a la fotosíntesis, pero en una única fase en disolución.

En ese sentido, A. Heiduk y D. Nocera, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachussets, han conseguido recientemente producir H2 a partir de disoluciones de ácido clorhídrico, empleando como catalizador un compuesto orgánico sintético que contiene átomos de rodio como centro activo. Su prometedor resultado fue publicado en la revista Science el 31 de agosto del 2001.

La idea parece increíble. Se trata de una disolución que sólo contiene ácido clorhídrico y el compuesto catalizador, que se puede tener en un simple tubo de ensayo y permanece estable mientras se mantenga en la oscuridad. Pero, en cuanto incide la luz solar sobre el tubo, ¡éste empieza a desprender hidrógeno de forma espontánea! La reacción finaliza cuando ya no queda en el tubo ácido clorhídrico que descomponer, pero, en principio, sería fácil llevarla a cabo en un reactor alimentado continuamente con ácido clorhídrico, y lograr así una forma barata y sencilla de producir hidrógeno industrialmente.

En la práctica, se observa que la regeneración del catalizador de rodio no es perfecta, por lo que habría que añadir nuevo catalizador cada cierto tiempo para mantener la reacción eternamente. La viabilidad económica de la idea no está aún demostrada.

Actualmente se está trabajando para resolver este problema, intentando encontrar nuevos y mejores catalizadores, que sean capaces de conseguir lo que la naturaleza no ha sido capaz de lograr en 3500 millones de años de evolución: la fotosíntesis en una disolución homogénea, contenida en un simple tubo de ensayo. El sueño de Ciamician está cada vez más cerca.