El científico Heinz Frei ha pasado décadas trabajando para construir una versión artificial de una de las máquinas más elegantes y efectivas de la naturaleza: la hoja.
Frei, y muchos otros investigadores de todo el mundo, buscan usar la fotosíntesis, la reacción química impulsada por la luz solar que las plantas verdes y las algas usan para convertir el dióxido de carbono CO 2 en combustible celular: para generar los tipos de combustible que pueden alimentar nuestros hogares y vehículos.Si la tecnología necesaria se pudiera refinar en modelos teóricos pasados y prototipos a escala de laboratorio, esta idea lunar, conocida como fotosíntesis artificial, tiene el potencial de generar grandes fuentes de energía completamente renovable utilizando el excedente de CO 2 en nuestra atmósfera
Con su último avance, Frei y su equipo en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab ahora se están acercando a este objetivo. Los científicos han desarrollado un sistema de fotosíntesis artificial, hecho de tubos de tamaño nanométrico, que parece capaz derealizando todos los pasos clave de la reacción de generación de combustible.
Su último artículo, publicado en Materiales funcionales avanzados , demuestra que su diseño permite el flujo rápido de protones desde el espacio interior del tubo, donde se generan al dividir las moléculas de agua, hacia el exterior, donde se combinan con CO 2 y electrones para formar el combustible. Ese combustible es actualmente monóxido de carbono, pero el equipo está trabajando para producir metanol. El flujo rápido de protones, que es esencial para aprovechar eficientemente la energía solar para formar un combustible, ha sido una espina en el costado desistemas de fotosíntesis artificial pasados.
Ahora que el equipo ha mostrado cómo los tubos pueden realizar todas las tareas fotosintéticas individualmente, están listos para comenzar a probar el sistema completo. La unidad individual del sistema será pequeñas "placas de combustible solar" cuadradas varias pulgadas de lado que contiene miles de millones de tubos a nanoescala intercalados entre un piso y un techo de silicato delgado y ligeramente flexible, con las aberturas de los tubos atravesando estas cubiertas. Frei tiene la esperanza de que las baldosas de su grupo puedan ser las primeras en abordar los principales obstáculos que aún enfrentan este tipo detecnología.
"Hay dos desafíos que aún no se han cumplido", dijo Frei, quien es un científico sénior en el Área de Biociencias de Berkeley Lab. "Uno de ellos es la escalabilidad. Si queremos mantener los combustibles fósiles en el suelo, necesitamosser capaz de generar energía en teravatios, una enorme cantidad de combustible. Y, usted necesita hacer un combustible líquido de hidrocarburos para que podamos usarlo con la infraestructura y la tecnología existente por valor de billones de dólares ".
Señaló que una vez que se hace un modelo que cumple con estos requisitos, la construcción de una granja de combustible solar a partir de muchos mosaicos individuales podría proceder rápidamente. "Nosotros, como científicos básicos, necesitamos entregar un mosaico que funcione, con todas las preguntas sobre su rendimiento resuelto. Y los ingenieros en la industria saben cómo conectar estos mosaicos. Cuando hayamos calculado pulgadas cuadradas, podrán hacer millas cuadradas ".
Cómo funciona
Cada tubo hueco pequeño de aproximadamente 0,5 micrómetros de ancho dentro del azulejo está hecho de tres capas: una capa interna de óxido de cobalto, una capa intermedia de sílice y una capa externa de dióxido de titanio. En la capa interna del tubo, la energía de la luz solar suministrada al óxido de cobalto divide el agua en forma de aire húmedo que fluye a través del interior de cada tubo, produciendo protones y oxígeno libres.
"Estos protones fluyen fácilmente hacia la capa externa, donde se combinan con dióxido de carbono para formar monóxido de carbono ahora, y metanol en un paso futuro, en un proceso habilitado por un catalizador soportado por la capa de dióxido de titanio", dijoWon Jun Jo, becario postdoctoral y primer autor del artículo: "El combustible se acumula en el espacio entre los tubos y se puede drenar fácilmente para su recolección".
Es importante destacar que la capa media de la pared del tubo mantiene el oxígeno producido por la oxidación del agua en el interior del tubo y bloquea el dióxido de carbono y las moléculas de combustible en evolución en el exterior para que no penetren en el interior, separando así a los dos muy incompatibleszonas de reacción química.
Este diseño imita las células fotosintéticas vivas reales, que separan las reacciones de oxidación y reducción con compartimientos de membrana orgánicos dentro del cloroplasto. De manera similar al plano original de la naturaleza, los tubos de membrana del equipo permiten que la reacción fotosintética ocurra en una distancia muy corta, minimizando lapérdida de energía que ocurre cuando los iones viajan y evita reacciones químicas no intencionadas que también reducirían la eficiencia del sistema.
"Este trabajo es parte del compromiso de Berkeley Lab de aportar soluciones a los desafíos energéticos urgentes que plantea el cambio climático", dijo Frei. "La naturaleza interdisciplinaria de la tarea requiere la amplitud de experiencia y las principales instalaciones exclusivas de Berkeley Lab. En particular, las capacidades de nanofabricación e imagen de la Fundición Molecular son esenciales para sintetizar y caracterizar las capas ultrafinas y hacer conjuntos de nanotubos huecos de una pulgada cuadrada ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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