Las hojas artificiales luchan contra el cambio climático y se convierten en el futuro de la energía

El mundo se volvió habitable para primates como nosotros gracias a la fotosíntesis realizada por las hojas y hoy los científicos están trabajando para crear su variante artificial para resolver nuevamente muchos de nuestros problemas, escribe Satyen K. Bordoloi.

En la era de los dinosaurios, la Tierra no estaba preparada para los humanos. La atmósfera era rica en dióxido de carbono. Pero los árboles y sus hojas eran enormes. Eso significaba que utilizaban la luz solar, absorbían dióxido de carbono y liberaban oxígeno en un proceso que denominamos fotosíntesis. El oxígeno en la atmósfera aumentó y, junto con otros factores como el enfriamiento del planeta y la diversidad de plantas, allanó el camino para el surgimiento de los primates.

De este modo, los árboles y sus hojas hicieron que el mundo fuera habitable para los humanos. Mientras el mundo atraviesa una nueva crisis (una crisis climática provocada por el hombre), los científicos están volviendo a las hojas para rescatar el planeta por nosotros. La única diferencia: esta vez las hojas son artificiales, artificiales y tienen un chip. Los científicos de todo el mundo están apostando por ellos para resolver una serie de nuestros problemas actuales, desde el cambio climático hasta la producción de combustible limpio y abundante. Aunque este campo todavía tiene que ponerse al día, tiene el potencial de cambiar el mundo en más formas de las que podemos imaginar hoy.

La necesidad humana de energía se ha disparado. Sin embargo, no podemos quemar más combustibles fósiles para producirlos, ya que libera gases de efecto invernadero. Como lo demuestran Chernobyl y Fukushima, la energía nuclear conlleva sus propios peligros inherentes. La tecnología de hojas artificiales, inspirada en la fotosíntesis, es una de las tecnologías más prometedoras que han surgido en las últimas décadas. La razón es simple: en lugar de contaminar, absorbe dióxido de carbono contaminante y libera oxígeno mientras produce combustible para nuestras necesidades. Por lo tanto, si pudiéramos replicar eso a gran escala, no sólo podríamos crear energía verde sino también descontaminar el mundo.

El problema es que la fotosíntesis es una reacción química compleja y difícil. Aunque las plantas hacen que parezca fácil (gracias a millones de años de evolución), en realidad implica una compleja serie de procesos que incluyen capturar la luz solar y dividir las moléculas de agua para producir protones que se unen al dióxido de carbono atmosférico para producir energía para que la planta crezca. A pesar de millones de años de práctica, las plantas sólo logran, en el mejor de los casos, una eficiencia del 1 por ciento. ¿Qué posibilidades teníamos los humanos?

Resulta mucho. Lo que los científicos se dieron cuenta es que podían combinar tres ramas de la ciencia: química, biología e informática para producir una especie de versión biónica de una hoja natural a la que llaman hoja artificial u hoja biónica.

A lo largo de los siglos, los humanos hemos observado cómo las plantas extienden sus hojas hacia el sol para absorber la luz que llega a la Tierra. Hemos fantaseado durante años si nosotros también podríamos construir algo que pudiera imitar esto. Aunque la tecnología no existía cuando la idea surgió por primera vez a los humanos, en la era digital ahora tenemos los recursos para hacerlo.

El término "hoja" es un nombre inapropiado, pero aún así es una luz guía. Un nombre inapropiado porque estos dispositivos son aparatos digitales con chips y electrodos. Guia la luz porque su principio básico es el mismo que el de una hoja es decir, la fotosíntesis: tener una gran superficie expuesta al sol para tomar su energía, tomar compuestos disponibles en el aire para producir algo más.

Los paneles solares también están hechos de chips y funcionan con la energía del sol. ¿Se pueden llamar hojas artificiales a los paneles solares? En realidad no, porque aunque el principio es similar, no es lo mismo. Los paneles solares simplemente toman la energía del sol y la convierten en energía eléctrica que podemos utilizar para nuestros fines. Cuando decimos hoja artificial, nos referimos a otra capa de complejidad: la capacidad de tomar también gases y compuestos del aire (tal como lo hacen las hojas) y convertirlos en algo útil para nosotros.

El primer avance real en la creación de una hoja biónica se logró en 2011.

En 2011, investigadores del MIT dirigidos por el profesor Daniel Nocera produjeron un dispositivo que, como las hojas, podía convertir la energía del sol directamente en combustible químico. La belleza de su hoja artificial era que no necesitaba cables ni controles externos para funcionar. Básicamente era una célula solar de silicio con varios materiales catalíticos unidos por sus dos lados. Cuando se colocaba en agua y se exponía a la luz solar, el agua burbujeaba. Eran burbujas de oxígeno por un lado y de hidrógeno por el otro. Colocadas en un recipiente que podría formar una barrera para separar los dos lados, las burbujas podrían recolectarse para usarse para hacer varias cosas con ellas, incluida generar energía introduciéndolas en una celda de combustible. Aunque este dispositivo podría usarse en una configuración inalámbrica, si está cableado, su eficiencia de división del agua aumentó del 2,5% al ​​4,7%. El documento que detalla lo mismo se puede leer aquí.

Desde entonces, varios equipos en todo el mundo han estado trabajando intensamente en líneas similares y, en los últimos años, hemos logrado algunos avances fascinantes.

El año pasado, investigadores de la Universidad de Cambridge publicaron un artículo en Nature que destacaba cómo desarrollaron "hojas artificiales" que flotan en el agua y generan combustible limpio utilizando la luz solar y el agua, de forma muy parecida a las hojas. Esto es revolucionario por muchas razones. En primer lugar, los dispositivos son ultradelgados y flexibles, económicos, autónomos y lo suficientemente ligeros como para flotar en el agua. Las pruebas han demostrado que convierten la luz solar en combustible casi tan eficientemente como las hojas reales. Esto es un punto de inflexión porque, si pudiera ampliarse de manera rentable, resolvería nuestros problemas energéticos de una manera limpia y ecológica. No sólo los ríos y mares, sino también los canales contaminados de las zonas urbanas pueden empezar a generar energía porque la pureza del agua es irrelevante para el dispositivo.

Una vez más, este año, investigadores de la Universidad de Cambridge crearon una hoja artificial que puede convertir el dióxido de carbono en propanol y etanol. En este trabajo, el primero de su tipo, el equipo adoptó un enfoque fotoelectroquímico en el que una celda con fotoelectrodos semiconductores absorbe la luz solar y produce electricidad que impulsa una reacción química impulsada por un catalizador.

Estos son pasos revolucionarios, ya que son los primeros pasos que los humanos han dado al utilizar directamente la luz solar para producir combustible limpio a partir de dióxido de carbono en un solo paso.

El hecho más importante que hay que recordar sobre las hojas artificiales es que no son literales, sino conceptuales. Esto quiere decir que la idea la tomamos de la naturaleza, la de las hojas, y tratamos de copiar su concepto para adaptarlo a nuestras necesidades. Esto es crucial porque, si bien los seres humanos han hecho daño al medio ambiente, las soluciones para ello también residen en la naturaleza. Esta idea debe desarrollarse en tecnologías cada vez mejores si queremos sobrevivir a la catástrofe climática que nos hemos provocado a nosotros mismos.

Pero más allá de eso, el éxito de estos experimentos demuestra otra verdad fundamental: una cosa se puede convertir en casi cualquier otra cosa con el conocimiento, las herramientas y los componentes básicos adecuados para ello. La naturaleza lo ha demostrado durante más de 4 mil millones de años. Ahora depende de sus hijos más prodigiosos pero imprudentes –los humanos– aprender de ella, replicar sus mayores éxitos como si fueran hojas, para –irónicamente– salvar al planeta del daño que le hemos causado.

No hay otra manera. Tenemos que –como dice el cliché– 'sacar ciencia a fondo de este lío'. Las hojas artificiales podrían ser un importante impulsor de esto.