Fotosíntesi: mecanisme fonamental per a la vida en aquest planeta, flagell dels estudiants de biologia de GCSE, i ara una manera potencial de lluitar contra el canvi climàtic. Els científics estan treballant dur per desenvolupar un mètode artificial que imiti com les plantes utilitzen la llum solar per transformar el CO2 i l'aigua en alguna cosa que podem utilitzar com a combustible. Si funciona, serà un escenari guanyador per a nosaltres: no només ens beneficiarem de l'energia renovable produïda d'aquesta manera, sinó que també podria esdevenir una manera important de reduir els nivells de CO2 a l'atmosfera.
Tanmateix, les plantes van trigar milers de milions d'anys a desenvolupar la fotosíntesi i no sempre és una tasca fàcil replicar el que passa a la natura. De moment, els passos bàsics de la fotosíntesi artificial funcionen, però no de manera molt eficient. La bona notícia és que la investigació en aquest camp va agafant ritme i hi ha grups arreu del món fent passos per aprofitar aquest procés integral.
Fotosíntesi en dos passos
La fotosíntesi no és només captar la llum solar. Un llangardaix que es banya al sol càlid pot fer-ho. La fotosíntesi va evolucionar a les plantes com una manera de capturar i emmagatzemar aquesta energia (el bit de la "foto") i convertir-la en hidrats de carboni (el bit de la "síntesi"). Les plantes utilitzen una sèrie de proteïnes i enzims alimentats per la llum solar per alliberar electrons, que al seu torn s'utilitzen per convertir el CO2 en hidrats de carboni complexos. Bàsicament, la fotosíntesi artificial segueix els mateixos passos.
"En la fotosíntesi natural, que forma part del cicle natural del carboni, tenim llum, CO2 i aigua entrant a la planta i la planta fa sucre", explica Phil De Luna, doctorand que treballa al Departament d'Enginyeria Elèctrica i Informàtica de la Universitat de Toronto. “En la fotosíntesi artificial, utilitzem dispositius i materials inorgànics. La part real de captació solar la fan cèl·lules solars i la part de conversió d'energia es fa per reaccions electroquímiques [en presència de] catalitzadors".
El que realment atractiu amb aquest procés és la capacitat de produir combustible per emmagatzemar energia a llarg termini. Això és molt més del que poden fer les fonts d'energia renovables actuals, fins i tot amb la tecnologia emergent de les bateries. Si no surt el sol o si no fa un dia de vent, per exemple, les plaques solars i els parcs eòlics simplement deixen de produir. "Per a l'emmagatzematge i l'emmagatzematge estacional prolongats en combustibles complexos, necessitem una solució millor", diu De Luna. "Les bateries són excel·lents per al dia a dia, per als telèfons i fins i tot per als cotxes, però mai no farem funcionar un [Boeing] 747 amb bateria".
Reptes per resoldre
Quan es tracta de crear cèl·lules solars, el primer pas del procés de fotosíntesi artificial, ja tenim la tecnologia al seu lloc: sistemes d'energia solar. Tanmateix, els panells fotovoltaics actuals, que solen ser sistemes basats en semiconductors, són relativament cars i ineficients en comparació amb la natura. Es necessita una nova tecnologia; un que malgasta molta menys energia.
Gary Hastings i el seu equip de la Universitat Estatal de Geòrgia, Atlanta, poden haver ensopegat amb un punt de partida quan miraven el procés original a les plantes. En la fotosíntesi, el punt crucial consisteix en moure electrons a una certa distància a la cèl·lula. En termes molt senzills, és aquest moviment provocat per la llum solar que després es converteix en energia. Hastings va demostrar que el procés és molt eficient per naturalesa perquè aquests electrons no poden tornar a la seva posició original: "Si l'electró torna al lloc d'on prové, llavors l'energia solar es perd". Tot i que aquesta possibilitat és rara a les plantes, passa amb força freqüència a les plaques solars, la qual cosa explica per què són menys eficients que la realitat.
Hastings creu que aquesta "investigació probablement farà avançar les tecnologies de cèl·lules solars relacionades amb la producció de productes químics o de combustible", però s'apressa a assenyalar que això és només una idea de moment i és poc probable que aquest avenç succeeixi aviat. "En termes de fabricació d'una tecnologia de cèl·lules solars totalment artificial dissenyada a partir d'aquestes idees, crec que la tecnologia està més lluny en el futur, probablement no en els propers cinc anys, fins i tot per a un prototip".
Un dels problemes que els investigadors creuen que estem a prop de resoldre és el segon pas del procés: convertir el CO2 en combustible. Com que aquesta molècula és molt estable i es necessita una quantitat increïble d'energia per trencar-la, el sistema artificial utilitza catalitzadors per reduir l'energia necessària i ajudar a accelerar la reacció. Tanmateix, aquest enfocament comporta el seu propi conjunt de problemes. Hi ha hagut molts intents durant els últims deu anys, amb catalitzadors fets de manganès, titani i cobalt, però l'ús prolongat ha demostrat ser un problema. La teoria pot semblar bona, però o bé deixen de funcionar al cap d'unes hores, es tornen inestables, alenten o desencadenen altres reaccions químiques que poden danyar la cèl·lula.
Però una col·laboració entre investigadors canadencs i xinesos sembla haver arribat al premi. Van trobar una manera de combinar níquel, ferro, cobalt i fòsfor per treballar en un pH neutre, cosa que facilita considerablement l'execució del sistema. "Com que el nostre catalitzador pot funcionar bé en un electròlit de pH neutre, que és necessari per a la reducció de CO2, podem executar l'electròlisi de la reducció de CO2 en un sistema sense membrana i, per tant, la tensió es pot reduir", diu Bo Zhang, de Departament de Ciència Macromolecular de la Universitat de Fudan, Xina. Amb una impressionant conversió d'energia elèctrica a química del 64%, l'equip té ara els rècords amb la més alta eficiència per als sistemes de fotosíntesi artificial.
"El problema més gran amb el que tenim ara és l'escala"
Pels seus esforços, l'equip va arribar a les semifinals del NRG COSIA Carbon XPRIZE, que els podria guanyar 20 milions de dòlars per la seva investigació. L'objectiu és "desenvolupar tecnologies innovadores que convertiran les emissions de CO2 de les centrals elèctriques i les instal·lacions industrials en productes valuosos" i amb els seus sistemes de fotosíntesi artificial millorats, tenen una bona oportunitat.
El següent repte és augmentar. "El problema més gran amb el que tenim ara és l'escala. Quan ampliem, acabem perdent eficiència", diu De Luna, que també va participar en l'estudi de Zhang. Afortunadament, els investigadors no han esgotat la seva llista de millores i ara intenten fer els catalitzadors més eficients mitjançant diferents composicions i configuracions diferents.
Guanyant en dos fronts
Sens dubte, encara hi ha marge de millora tant a curt com a llarg termini, però molts consideren que la fotosíntesi artificial té el potencial de convertir-se en una eina important com a tecnologia neta i sostenible per al futur.
"És increïblement emocionant perquè el camp es mou molt ràpidament. Pel que fa a la comercialització, estem al punt d'inflexió”, diu De Luna, i afegeix que, si funciona “depèn de molts factors, que inclouen les polítiques públiques i l'adopció per part de la indústria per acceptar la tecnologia d'energies renovables. .”
Aconseguir la ciència correcta és realment només el primer pas, doncs. Arran de la investigació de persones com Hastings i Zhang, arribarà el pas crucial per absorbir la fotosíntesi artificial a la nostra estratègia global al voltant de les energies renovables. Les apostes són altes. Si s'aconsegueix, guanyarem en dos fronts: no només produir combustibles i productes químics, sinó també reduir la nostra petjada de carboni en el procés.