La emulación de la naturaleza en los diseños industriales ha sido una constante a lo largo de los últimos años intentando dar solución a los nuevos problemas que se nos plantean de una forma sostenible. Los ejemplos son innumerables: desde el radar inspirado en los murcielagos, la cabeza de los trenes de alta velocidad basada en la cabeza de algunos patos o el diseño del kevlar a partir de las estructuras típicas de las telas de araña.
En la ingeniería energética no podía ser menos y desde los años 70 hemos tratado de aprovechar la energía proveniente del sol al igual que hacen las plantas. Vivimos con la esperanza de poder emularlas o, incluso, mejorarlas. Todavía estamos lejos pero hay algunos avances que nos hacen pensar que algún día será posible.
¿Que es la Biomimética?
Biomimética (o biomímesis) es la ciencia que estudia a la naturaleza como fuente de inspiración, nuevas tecnologías innovadoras para resolver aquellos problemas humanos que la naturaleza ha resuelto, mediante los modelos de sistemas (mecánica), procesos (química) y elementos que imitan o se inspiran en ella.
Este método, tiene como objetivo mejorar la calidad de vida de la humanidad. Además se basa en la sustentabilidad socio-económicas; mediante el fundamento que la naturaleza es el único modelo que perdura por millones de años.
La naturaleza ha dado origen a lo largo 3,8 billones de años de evolución a estructuras de diseño inteligente que podemos imitar para propósitos humanos.
Fotosíntesis artificial ¿No hacíamos eso ya con las células fotovoltaicas?
De sobra es conocido que actualmente contamos con la tecnología necesaria para aprovechar parte de la energía que nos lleva diariamente del sol a través de las células fotovoltaicas, pero el sol no siempre brilla cuándo y dónde nosotros queremos. A través de la fotosíntesis las plantas son capaces de convertir la luz solar en combustible, almacenarlo en el momento y quemarlo más tarde.
La tecnología fotovoltaica con la que contamos actualmente transforma la energía proveniente del sol en electricidad haciendo que el almacenamiento de esa energía quede fuera del ciclo y, por tanto, esté sujeta a unas pérdidas derivadas de este almacenaje.
¿Cómo emular la fotosístesis?
Nadie dijo que la fotosíntesis fuera fácil. A las plantas les ha llevado millones de años de evoluciónalcanzar esta capacidad y no son precisamente sobresalientes en esta tarea.
La fotosíntesis lo es todo acerca del uso de la energía del sol y cómo dividir el agua en sus componentes hidrógeno y oxígeno, y reorganizarlos en moléculas químicamente más energéticas, en el caso de las plantas, con los carbohidratos hechos con la ayuda del dióxido de carbono atmosférico. No obstante, una planta de cultivo estándar, almacena sólo un pequeño porcentaje de la energía solardisponible en hidratos de carbono. Si el sol brilla muy intensamente su maquinaria se siente saturada, se viene abajo la producción después de una media hora. Los complejos catalizadores naturales que ayudan en este proceso se degradan rápidamente y constantemente deben ser renovados.
Los hidratos de carbono no son los mejores combustibles de almacenamiento para nuestro propósito. Se necesita algo más puro, de combustión más limpia y con una mayor densidad de energía. El hidrógeno es una opción clara. Es capaz de empaquetar gran cantidad de golpe, almacenando dos veces y media más energía por kilogramo que la gasolina convencional. Pongámoslo en una célula de combustible y podrá generar electricidad bajo demanda al combinarlo con el oxígeno, con un producto secundario de agua limpia y potable.
Ya hemos visto algunas tecnologías capaces de transformar directamente la luz en energía química separando el agua en sus componentes esenciales en contacto con la luz solar. Estos sistemas y otros similares no están exentos de problemas ya que el burbujeo del hidrógeno y oxígeno no puede ser controlado y tienden a salir hacia afuera conformando una mezcla potencialmente explosiva, además, estos sistemas son propensos a la corrosión prematura.
A mi parecer el problemas es que contamos con un taburete con tres patas: eficacia, precio y robustez. Tener cualquiera de las dos patas es fácil pero el problema viene al querer poner la tercera o apoyarnos mal…
El atajo a millones de años de evolución
La primera tarea importante es encontrar el mejor material para la célula. El silicio es relativamente barato y abundante, y absorbe una buena parte de los fotones de alta energía de los rayos solares, por lo que es el estándar para las células solares convencionales. El problema reside en su baja tensión de funcionamiento de 1,1 electronvoltios. Dividir el agua le lleva un mínimo de 1,23 electronvoltios, y en la práctica necesita más para poner en marcha de la reacción.
Una forma de compensar la diferencia es apilar capas de silicio. Algo así como conectar baterías en serie, esto ofrece electrones que aumentan el voltaje. Lo último del sistema Sun Catalytix usa el silicio de “triple empalme”, que funciona, aunque viene a ser unas tres veces el coste del material de los paneles solares. El silicio también reacciona con el oxígeno para crear una capa aislante de sílice, que detiene los electrones que alcanzan la superficie de la célula, donde pueden ser de utilidad. Este recubrimiento del silicio con un antioxidante puede añadir costes y reducir la eficiencia.
Pero una buena célula es sólo una parte del problema. El irradiación solar, crea electrones y “huecos” de carga positiva ausentes de electrones. Al separar el agua, el dispositivo necesita alinear cuatro huecos en un extremo para absorber electrones de las moléculas de agua, produciendo oxígeno molecular y protones libres. En el otro extremo, los dos electrones de la célula se combinan con esos protones liberados para formar hidrógeno molecular. Los catalizadores pueden facilitar estos procesos, la reducción de la energía necesaria para conseguir que vayan y actúen como áreas de estacionamiento para los electrones y los agujeros. En general,son necesarios dos catalizadores distintos, una para el hidrógeno y otro para el oxígeno.
El platino utilizado en la hidrolisis del agua como catalizador más eficiente funciona sobresalientemente pero cuesta casi lo mismo que el oro. La naturaleza tiene sus propias soluciones imperfectas: para catalizar la formación de el hidrógeno, las plantas usan enzimas hidrogenasa, que contienen un par de átomos de hierro para mezclar los electrones. Las ramas de proteínas alrededor de los átomos ayudan en el proceso de hacer malabares con los protones. También se han probado con catalizadores similares con dos átomos de níquel, un elemento abundante y barato, funcionando mucho más rápido que la versión natural, aunque aún no se ha probado en un sistema fotosintético.
El catalizador que produce oxígeno es más complicado. Las plantas utilizan proteínas con cuatro átomos de manganeso, uno para cada agujero implicado en la división del agua. Sin embargo, esta proteína se degrada rápidamente y no es necesariamente más rápida. En el laboratorio, hay mejores opciones. El óxido de iridioes superior en velocidad y altamente eficiente pero es enormemente caro. Las alternativas basadas en manganeso y el cobalto se están estudiando, pero ninguno cumple todavía todos los requisitos.
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