Consiguen llegar a un 19% de rendimiento en la producción de hidrógeno a partir de agua y de la luz del sol.
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No hay recursos en el planeta para mantener el crecimiento económico y demográfico que mantiene el ser humano, que son exponenciales. Entre muchos de los problemas y amenazas está el asunto de la energía.
Hasta ahora hemos crecido gracias a una fuente gratuita de energía: el petróleo. Sólo había que hacer un agujero en el suelo y extraerlo. Pero su combustión produce dióxido de carbono que está cambiando el clima terrestre. Además, se ha superado el cenit en la producción de hidrocarburos convencionales, así que ya hemos visto las orejas al lobo y necesitamos otras fuentes de energía.
El problema es, sobre todo, el transporte, que es muy dependiente del petróleo. El consumo de electricidad en los hogares es muy pequeño comparado con el transporte, no sólo de personas, sino, además, de mercancías. Pretender que el mercante que nos trae las uvas fuera de temporada del otro hemisferio sea eléctrico es un espejismo de ilusos.
Todavía no se ha ideado, y muchos piensan que no es posible, una economía como la actual totalmente electrificada. Si todas nuestras necesidades energéticas las quisiéramos cubrir con energía nuclear tendríamos que construir cientos de plantas nucleares y agotaríamos todo el uranio en menos de 20 años. Puede que el auto eléctrico parezca la solución, pero producir uno de ellos sale caro desde el punto de vista energético y no está claro que haya tanto litio en la corteza terrestre como para satisfacer la demanda de tanta batería.
Por ello, la idea del hidrógeno vuelve una y otra vez. Si somos capaces de producir hidrógeno de forma barata a partir de agua y energía alternativas, nuestros medios de transporte e incluso nuestra demanda de electricidad se podrían satisfacer usando ese hidrógeno en pilas de combustible.
La idea es seductora para las mismas compañías que nos venden gasolina y que sueñan con un modelo de negocio de tipo estación de servicio que provea de hidrógeno a nuestros autos y de gobiernos deseosos de gravar con impuestos ese hidrógeno. La posibilidad de que nos sirvamos de la electricidad fotovoltaica de nuestros propios tejados es su pesadilla para ambos.
Aunque el hidrógeno también tiene la ventaja de poderse almacenar para cuando no brille el sol o no sople el viento. Lo malo es que, precisamente, almacenar hidrógeno de una manera efectiva es un problema que todavía no se ha solucionado del todo, pues su licuefacción es energéticamente inviable.
Pero hay un problema más: la termodinámica. Podemos escapar de cualquier apuro o problema, pero no de las garras de la termodinámica. Cada sistema de producción de energía o cada cambio de formato de esa energía tiene un rendimiento, por lo que perdemos parte de la energía recibida. Si usamos electricidad fotovoltaica para producir hidrógeno, perdemos parte de esa energía eléctrica en la producción de hidrógeno y luego perderemos otra parte para producir electricidad en la pila de combustible a partir de ese hidrógeno.
Por eso, desde hace tiempo, se viene investigando en la producción directa de hidrógeno a partir de la luz del sol y agua a la manera en la que lo hacen las plantas con su fotosíntesis.
Ahora, un equipo internacional de investigadores ha conseguido obtener el mejor rendimiento hasta el momento, un 19%, en la producción directa de hidrógeno solar.
Para ello han combinado semiconductores de tipo II-V con nanopartículas de rodio que actúan de catalizador y usado un recubrimiento de dióxido de titanio cristalino que trata de evitar la corrosión.
Es decir, como en otro casos, se trata de combinar una célula fotovoltaica y un sistema catalítico que rompa la molécula de agua para producir el preciado gas en un bloque monolítico. Al sumergir este sistema en una disolución acuosa, y ser iluminado con luz, produce hidrógeno en una cara y oxígeno en la otra.
Parte de estos investigadores ya había conseguido anteriormente un récord del 14% con este mismo tipo de dispositivo, pero esta vez han mejorado la absorción de la luz gracias al uso de semiconductores III-V y a que la capa anticorrosión que usaban ha sido reemplazada por el cristal de óxido de titanio, que tiene buenas cualidades antirreflejo. Con ello han reducido muchas pérdidas producidas por la luz parásita en las absorciones y reflexiones.
Además, han desarrollado un nuevo sistema de producción de nanopartículas de rodio, que ahora miden sólo 10 nanómetros de diámetro, por lo que son virtualmente transparentes a la luz.
El una disolución de ácido perclórico el sistema alcanza un rendimiento del 19,3%, mientras que en una disolución de pH neutro obtienen un 18,5%. El límite teórico estaría en un 23% debido a propiedades físicas inherentes del sistema.
Otra mejora ha consistido en aumentar la vida operativa de este tipo de dispositivos en casi 100 horas, pues en los prototipos previos se corroía el sistema en 40 horas. Pero, obviamente, en este aspecto hay mucho que mejorar.
¿Estamos ante la solución de los problemas energéticos? No, aunque la durabilidad de este dispositivo fuera eterna, habría que encarar el problema peor de todos: la escasez del rodio en la corteza terrestre, que hace que ahora tenga un precio de 47000 dólares el kilo.
De todos modos, además del decrecimiento, haría falta una especie de «proyecto Manhattan» para el desarrollo de las energías alternativas y tecnologías asociadas que nos haga menos dependientes del petróleo. Nuestra supervivencia depende de lo bien que estemos preparados para un mundo sin petróleo o uno con un petróleo muy caro. Este resultado u otros similares contribuyen a alcanzar esa meta.
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Fuentes y referencias:
Artículo original. [2]
Dibujo: ACS Energy Letters.