NeoFronteras

Avances en fotosíntesis artificial

Área: Medio ambiente,Tecnología — domingo, 19 de abril de 2015

Un sistema híbrido consigue la producción de un hidrocarburo a partir de luz solar y dióxido de carbono.

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Un equipo de investigadores procedentes de varias instituciones norteamericanas han conseguido dar un paso más hacia la fotosíntesis artificial, una meta general consistente en la obtención de energía y/o materiales a través de la luz solar que imite la fotosíntesis natural.
En este caso se consigue capturar dióxido de carbono antes de que vaya a pasar a la atmósfera y convertirlo en un hidrocarburo gracias a la luz solar.
El sistema consiste en un mecanismo híbrido que usa nanohilos semiconductores y bacterias en un medio acuoso. El resultado es acetato, que es un bloque básico de partida para la biosíntesis artificial hoy en día.
El clima terrestre está cambiando por culpa del dióxido de carbono que emitimos a la atmósfera al quemar combustibles fósiles. Cualquier método que permita evitar o reducir la presencia de dióxido de carbono en la atmósfera es bienvenido. Sin embargo, los intentos de secuestrar dióxido de carbono no parece que hayan tenido mucho éxito hasta el momento. La fotosíntesis artificial podría ayudar en este sentido. O eso se pretende.
En este caso, los nanohilos semiconductores (de silicio y óxido de titanio) captan la energía de la luz solar en varias regiones del espectro y la desvían en forma de electrones hacia unas bacterias en donde el dióxido de carbono es reducido y combinado con el agua para producir hidrocarburos útiles. Además, las bacterias son protegidas de su sensibilidad al oxígeno (son anaerobias) por los nanohilos como si fueran huevos de pascua en la hierba. El sistema está alimentando por energía solar, que es renovable, y además sirve para secuestrar dióxido de carbono siempre que el producto obtenido no se queme.
El esquema de funcionamiento es similar al de los cloroplastos de las plantas. Al comienzo se generan pares electrón-hueco en los nanohilos por la acción de los fotones de luz recibidos. Luego los electrones pasan a las bacterias para la reducción del dióxido de carbono, mientras que los huecos generados son usados para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno.
El microorganismos empleado en este caso ha sido Sporomusa ovata, una bacteria anaeróbica que es capaz de aceptar del ambiente electrones directamente y usarlos para reducir el dióxido de carbono.
El acetado resultante puede ser empleado para la confección en una segunda fase de muchos productos (butanol, plástico PHB, etc) usando bacterias E. coli. Estas dos fases podrían ser combinadas en un futuro para obtener la sustancia deseada de una sola vez.
En los experimentos realizados se ha conseguido un rendimiento del 0,38% durante 200 horas de iluminación, un rendimiento muy similar al de una hoja natural. El objetivo próximo es elevar esta eficacia hasta el 3% en una segunda generación y llegar más tarde hasta el 10%, que estaría ya en el umbral de la rentabilidad comercial.

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Fuentes y referencias:
Artículo original
Foto: Berkeley Lab.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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7 Comentarios

  1. tomás:

    El final de la última frase me molesta: “… que estaría ya en el umbral de la rentabilidad comercial”. O sea que ¿si no se logra esa rentabilidad se acaba la esperanza? Si el producto que se desarrolla de cuya fabricación se obtiene esa fotosíntesis como una especie de subproducto, sale más caro, pues se paga o se subvenciona con impuestos justos y bien repartidos, pero no se puede renunciar a arreglar en lo que podamos el cambio climático.
    ¡Jolín con el capitalismo y la economía de mercado!

  2. lluís:

    – Ese hueco del par ” electrón-hueco”, supongo que juega el papel de una carga positiva y por lo tanto debe inducir una fuerza eléctrica que sea capaz de dividir el agua en hidrógeno y oxígeno.

  3. tomás:

    Creo que sí, amigo “lluís”. La luz arranca el electrón al hidrógeno y, por decirlo de alguna, manera crea una “necesidad”: la falta de una carga negativa que sería algo así como “una fuerza eléctrica capaz de atraer un electrón”. Por tanto no está mal llamarlo “hueco de electrón”, porque, en realidad no es partícula, pero hace los efectos de ella con una carga opuesta y equivalente a la del electrón arrancado. Luego, creo, que esos huecos roban los electrones que unen O y 2H en el agua, tal como dices.
    Ahora bien, yo creo que un hueco no es una antipartícula que al unirse al electrón quede en nada con alguna emisión de un fotón quizá -o algo así-, sino que al unirse electrón y hueco queda un electrón en un lugar determinado donde su carga queda equilibrada con una positiva.
    ME parece que estamos de acuerdo; supongo.

  4. lluís:

    Sí tomás, estamos de acuerdo. De hecho, la ausencia del electrón, que de estar ahí, en su sitio, habria aportado una carga negativa, por contraste, se puede decir que se asemeja a una carga positiva.Se puede decir que es una carga positiva virtual que sigue la órbita del electrón ausente, con lo que tiene las propiedades de una partícula cargada positivamente.
    – Por este camino (sobre el asunto de los “huecos”), Dirac esbozó su teoría sobre electrones y protones y finalmente Dirac terminó convencido de que los “huecos”, deberían ser una ” nueva clase de partícula experimental”….años después Carl Anderson dió con esa partícula…el positrón. Así que hoy, la “teoría de huecos”, los ” huecos” de Dirac, no son sinó los positrones.Aunque todo esto está relacionado con las propiedades del vacío, en el sentido de que si iluminas el vacío, aportando fotones suficientemente energéticos, un electrón, con energía negativa pùede absorver uno de esos fotones y tenemos una solución de energía positiva, finalmente existirá un hueco en el vacío, ya que el electrón de energía negativa dejó vacante el espacio que ocupó originariamente.

    – Un abrazo, tomás.

  5. tomás:

    Pues muchas gracias por la lección, querido amigo. Aunque deberías darnos clase -o por lo menos a mí- con más frecuencia, pues mi ignorancia no tiene límites.
    Un fuerte abrazo y repito las gracias.

  6. NeoFronteras:

    En semiconductores la ausencia en la red cristalina de un electrón (algo que se consigue fácilmente con dopado de tipo P) se denomina hueco. Se comporta como una cuasipartícula de carga positiva que se mueve por el semiconductor.

  7. tomás:

    Resulta asombroso imaginar una corriente eléctrica de huecos que se comportarían como positrones sin masa. Se queda uno de piedra con estas cosas. ¡Hoy has ciencias adelantan que es una barbaridad!

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