Las “hojas artificiales” flotantes generan combustibles limpios a partir de la luz solar y el agua

Los científicos han desarrollado “hojas artificiales” flotantes que generan combustibles limpios a partir de la luz solar y el agua. Eventualmente podrían operar a gran escala en el mar.

Los dispositivos ultrafinos y flexibles, que se inspiran en[{” attribute=””>photosynthesis – the process by which plants convert sunlight into food – were designed by researchers from the University of Cambridge. Since the low-cost, autonomous devices are light enough to float, they could be used to generate a sustainable alternative to gasoline without taking up space on land.

Outdoor tests of the lightweight leaves on the River Cam showed that they can convert sunlight into fuels as efficiently as plant leaves. River Cam is the main river flowing through Cambridge in eastern England, and the testing occurred near iconic Cambridge sites including the Bridge of Sighs, the Wren Library, and King’s College Chapel.

Investigadores de la Universidad de Cambridge diseñaron dispositivos ultradelgados y flexibles que se inspiran en la fotosíntesis, el proceso por el cual las plantas convierten la luz solar en alimento. Dado que los dispositivos autónomos de bajo costo son lo suficientemente livianos como para flotar, podrían usarse para generar una alternativa sostenible a la gasolina sin ocupar espacio en tierra. Crédito: Virgilio Andrei

Esta es la primera vez que se genera combustible limpio en el agua. Si se ampliara, las hojas artificiales podrían usarse en vías fluviales contaminadas, en puertos o incluso en el mar, y podrían ayudar a reducir la dependencia de la industria naviera mundial de los combustibles fósiles. Los resultados se informan hoy (17 de agosto de 2022) en la revista Naturaleza.

Las tecnologías de energía renovable, como la eólica y la solar, se han vuelto significativamente más baratas y más disponibles en los últimos años. Sin embargo, para industrias como el transporte marítimo, la descarbonización es una tarea mucho más importante. Alrededor del 80 % del comercio mundial se transporta en buques de carga propulsados ​​por combustibles fósiles; sin embargo, el sector ha recibido muy poca atención en los debates relacionados con la crisis climática.

Investigadores de la Universidad de Cambridge han diseñado dispositivos ultrafinos y flexibles que se inspiran en la fotosíntesis, el proceso mediante el cual las plantas convierten la luz solar en alimento. Dado que los dispositivos autónomos de bajo costo son lo suficientemente livianos como para flotar, podrían usarse para generar una alternativa sostenible a la gasolina sin ocupar espacio en tierra. Crédito: Virgilio Andrei

Durante varios años, el grupo de investigación del profesor Erwin Reisner en Cambridge ha estado trabajando para abordar este problema mediante el desarrollo de soluciones sostenibles para la gasolina que se basan en los principios de la fotosíntesis. En 2019, desarrollaron una hoja artificial que produce gas de síntesis a partir de la luz solar, el dióxido de carbono y el agua. Syngas es un intermediario clave en la producción de muchos productos químicos y farmacéuticos.

El prototipo anterior producía combustible combinando dos absorbedores de luz con catalizadores adecuados. Sin embargo, incorporó sustratos de vidrio grueso y recubrimientos protectores contra la humedad, lo que hizo que el dispositivo fuera voluminoso.

“Las hojas artificiales podrían reducir sustancialmente el costo de la producción sostenible de combustible, pero dado que son pesadas y frágiles, son difíciles de producir a gran escala y transportar”, dijo el Dr. Virgil Andrei del Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge. co-autor principal.

“Queríamos ver hasta dónde podemos reducir los materiales que usan estos dispositivos, sin afectar su rendimiento”, dijo Reisner, quien dirigió la investigación. “Si podemos recortar los materiales lo suficiente como para que sean lo suficientemente livianos como para flotar, entonces se abren nuevas formas de usar estas hojas artificiales”.

Una hoja artificial flotante, que genera combustible limpio a partir de la luz solar y el agua, en el río Cam, cerca del Puente de los Suspiros en Cambridge, Reino Unido. Crédito: Virgilio Andrei

Para la nueva versión de la hoja artificial, los científicos se inspiraron en la industria electrónica. Las técnicas de miniaturización allí han llevado a la creación de teléfonos inteligentes y pantallas flexibles, revolucionando el campo.

El desafío para el equipo de investigación de Cambridge era cómo depositar absorbentes de luz sobre sustratos livianos y protegerlos contra la infiltración de agua. Para superar estos desafíos, los investigadores utilizaron óxidos metálicos de película delgada y materiales conocidos como perovskitas, que se pueden recubrir sobre láminas de plástico y metal flexibles. Los dispositivos se cubrieron con capas a base de carbono repelentes al agua, del grosor de un micrómetro, que evitaban la degradación por humedad. El resultado fue un dispositivo que no solo funciona, sino que también parece una hoja real.

“Este estudio demuestra que las hojas artificiales son compatibles con las técnicas modernas de fabricación, lo que representa un primer paso hacia la automatización y la ampliación de la producción de combustible solar”, dijo Andrei. “Estas hojas combinan las ventajas de la mayoría de las tecnologías de combustible solar, ya que logran el bajo peso de las suspensiones de polvo y el alto rendimiento de los sistemas cableados”.

Las pruebas de las nuevas hojas artificiales demostraron que pueden dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, o reducir el CO₂ al gas de síntesis. Si bien será necesario realizar mejoras adicionales antes de que estén listas para aplicaciones comerciales, los científicos dicen que este desarrollo abre caminos completamente nuevos en su trabajo.

“Las granjas solares se han vuelto populares para la producción de electricidad; imaginamos granjas similares para la síntesis de combustible”, dijo Andrei. “Estos podrían abastecer asentamientos costeros, islas remotas, cubrir estanques industriales o evitar la evaporación del agua de los canales de riego”.

“Muchas tecnologías de energía renovable, incluidas las tecnologías de combustible solar, pueden ocupar grandes cantidades de espacio en la tierra, por lo que trasladar la producción a aguas abiertas significaría que la energía limpia y el uso de la tierra no compiten entre sí”, dijo Reisner. “En teoría, podría enrollar estos dispositivos y colocarlos en casi cualquier lugar, en casi cualquier país, lo que también ayudaría con la seguridad energética”.

Referencia: “Dispositivos flotantes de perovskita-BiVO4 para la producción escalable de combustible solar” 17 de agosto de 2022, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-022-04978-6

La investigación fue apoyada en parte por el Consejo Europeo de Investigación, Cambridge Trust, el Programa Winton para la Física de la Sostenibilidad, la Real Academia de Ingeniería y el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC), parte de Investigación e Innovación del Reino Unido ( UKRI). Virgil Andrei y Erwin Reisner son Fellows del St John’s College, Cambridge.