Fotosíntesis artificial

Una muestra de una célula fotoeléctrica en un entorno de laboratorio. Los catalizadores se añaden a la célula que se sumerge en agua y se ilumina por luz solar simulada. Las burbujas que se ven son de oxígeno (que se forma en la parte frontal de la célula) y de hidrógeno (formando en la parte posterior de la célula

La fotosíntesis artificial es un campo de investigación intenta imitar la fotosíntesis natural de las plantas, con el fin de convertir dióxido de carbono y agua en carbohidratos y en oxígeno, utilizando para ello la luz del Sol.

En la fotosíntesis natural intervienen docenas de enzimas que catalizan varias reacciones individuales, pero todo el proceso puede dividirse conceptualmente en dos fases principales que interactúan mediante moléculas transportadoras de energía: las reacciones luminosas, que dependen de la luz del Sol, y las reacciones oscuras, que pueden ocurrir en ausencia de luz. Estas reacciones tienen mucha importancia tanto desde el punto de vista científico como desde el punto de vista económico, dada su potencial aplicación en la explotación de la energía solar, sin embargo el proceso es tan complejo que aún en un laboratorio es difícil de replicar.

El término fotosíntesis artificial se aplica a aquellos procesos que, inspirados en la fotosíntesis natural, buscan utilizar la energía solar para producir otros tipos de energía que puedan ser aprovechados por el hombre de manera limpia y eficiente, de forma que en un futuro se pueda producir una «planta artificial» que sea capaz de almacenar energía en forma de compuestos orgánicos a partir de óxido carboxílico y aceite. Esto hace que la fotosíntesis artificial sea una tecnología atractiva no sólo desde el punto de vista práctico y económico, sino también desde el punto de vista ecológico, ya que potencialmente podría ayudar a mitigar o revertir algunos de los efectos adversos producidos por el consumo de combustibles fósiles como el calentamiento global.

Las investigaciones en cuanto a fotosíntesis artificial se pueden dividir de acuerdo con la fase de la fotosíntesis natural que buscan replicar: la separación de moléculas de agua para obtener hidrógeno y oxígeno que ocurre en la fase luminosa, y la fijación del dióxido de carbono que ocurre en la fase oscura.

Separación de moléculas de agua en la célula (fase luminosa)

La fase luminosa, como su nombre lo indica, ocurre en presencia de luz solar. Durante esta fase las plantas convierten la energía luminosa – en forma de fotones – en energía química en forma de dos moléculas transportadoras: ATP y NADPH. La energía necesaria para estas reacciones es absorbida por moléculas de pigmento (tales como la clorofila, los carotenos y las ficocianinas) que junto con moléculas transportadoras de electrones forman complejos proteínicos muy especializados denominados fotosistemas, los cuales son alimentados con electrones provenientes de moléculas de agua que son deslizadas aparte en moléculas de hidrógeno y oxígeno.[1]

El proceso que permite obtener hidrógeno y oxígeno a partir de agua recibe el nombre de electrólisis del agua, y consiste en aplicar una carga eléctrica con suficiente potencial sobre moléculas de agua para separar los átomos que las componen, ya que es una reacción que no sucede de manera espontánea. Para realizarla se necesitan cuatro componentes, que tienen su correspondencia dentro de las plantas: un cátodo donde se concentra el hidrógeno (moléculas de NADP+), un ánodo donde se concentra el oxígeno (que se libera al aire), un electrolito o catalizador (los complejos fotosintéticos) y una fuente de energía (las moléculas de clorofila que absorben la luz del Sol).

Aunque la electrólisis es fácilmente replicable en un laboratorio mediante el uso de electricidad, el reto consiste en fabricar dispositivos, denominados celdas fotoelectroquímicas, capaces de utilizar la energía solar para mantener la reacción de acuerdo con tres criterios: la reacción debe ser eficiente, los materiales empleados en su construcción deben ser resistentes a la corrosión provocada por el electrolito y los materiales deben acercarse a los límites de potencial REDOX del hidrógeno y el oxígeno.[2] Los criterios antes mencionados imponen grandes límites en la selección de los materiales empleados para la fabricación del cátodo y el ánodo, así como también en la selección del catalizador utilizado.

El hidrógeno es un producto importante ya que actualmente se utiliza para la producción de fertilizantes, para hidrolizar grasas, como un agente reductor de algunos minerales y otros procesos industriales,[5]

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