jueves, marzo 23, 2023

Un nuevo proceso de fotosíntesis para producir hidrógeno barato con luz solar

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Investigadores de la Universidad de Michigan han desarrollado un panel solar con un nuevo catalizador que es capaz de imitar la fotosíntesis de las plantas y separar el hidrógeno y el oxígeno del agua con una eficiencia muy superior a sistemas similares. Este nuevo dispositivo, dicen sus creadores, puede reducir enormemente los costos de producción del hidrógeno.

El hidrógeno verde es una de las grandes promesas para paliar la crisis energética y ayudarnos a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.

Una de las grandes contras a esta tecnología es el costo que conlleva producirlo sin usar combustibles fósiles. Aquí hemos visto ya algunos avances interesantes que prometen rebajar el precio de extracción del hidrógeno, así como unos paneles solares que se pueden poner en los tejados y que capturan tanto la energía del sol como el agua del aire para producir hidrógeno ‘verde’.

Ahora, los investigadores de la Universidad de Michigan (UM) han descubierto un nuevo catalizador que está inspirado en la capacidad que tienen las plantas de separar el hidrógeno y el oxígeno del agua por medio de la fotosíntesis. “Al final, creemos que los dispositivos de fotosíntesis artificial serán mucho más eficientes que la fotosíntesis natural, lo que proporcionará una vía hacia la neutralidad del carbono”, afirma Zetian Mi, profesor de ingeniería eléctrica e informática de la UM que dirigió el estudio publicado recientemente en la revista Nature.

Cómo funciona

Los investigadores formaron el nuevo catalizador con nanoestructuras de nitruro de indio y galio cultivadas sobre una superficie de silicio. El resultado, explica el equipo, es una oblea semiconductora que atrapa la luz y la convierte en electrones libres y espacios huecos con carga positiva que se producen cuando la luz libera electrones. Esta estructura tiene unas bolas metálicas a escala nanométrica —de 1/2000 de milímetro de diámetro— que usan esos electrones y huecos para ayudar a dirigir la reacción.

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La oblea lleva también una capa aislante que la mantiene a una temperatura de 75 grados Celsius. Esta temperatura, explican, favorece la reacción química y permite que el catalizador semiconductor funcione correctamente. El equipo realizó pruebas tanto en el exterior, con luz solar, como en el interior. En el primer caso el sistema consiguió una eficacia del 6,1 por ciento en la producción de hidrógeno a pesar de que las temperaturas iban variando. Sin embargo, en el interior y con una temperatura controlada, el sistema alcanzó una eficiencia del nueve por ciento.

El siguiente paso para el equipo es mejorar aún más la eficiencia y conseguir un hidrógeno de alta pureza que se pueda utilizar directamente para alimentar pilas de combustible.

Un catalizador barato, eficaz y autoreparable

Según cuentan los investigadores, la gran eficiencia de esta estructura se debe a dos avances: la capacidad de concentrar la luz solar sin destruir el semiconductor y la posibilidad de usar tanto la parte de mayor energía del espectro solar para dividir el agua como la parte inferior del espectro para proporcionar el calor que favorece la reacción. Una de las claves del descubrimiento es la reducción del tamaño del semiconductor, que suele ser la parte más cara del dispositivo.

“Redujimos el tamaño del semiconductor más de 100 veces en comparación con algunos semiconductores que sólo funcionan a baja intensidad luminosa”, explica Peng Zhou, otro de los firmantes del artículo de Nature e investigador de ingeniería eléctrica e informática y de la Universidad de Michigan. “El hidrógeno producido con nuestra tecnología podría ser muy barato”.

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Además el equipo asegura que el nuevo catalizador semiconductor es autorreparable y va mejorando con el uso. El dispositivo es capaz de resistir la degradación que suelen sufrir los catalizadores hasta una intensidad de luz concentrada equivalente a la de 160 soles. Las altas temperaturas, dicen, favorecen la producción. Por un lado aceleran el proceso de división del agua y por otro ayudan a que el hidrógeno y el oxígeno permanezcan separados.

La carrera por el hidrógeno ‘verde’

El hidrógeno es un combustible que, si se extrae de manera ‘limpia’, puede alimentar coches, trenes y aviones o almacenar la energía que producen las fuentes renovables. Sin embargo, a pesar de su abundancia en nuestro planeta, es raro encontrar hidrógeno en su estado puro. Los métodos de extracción que se estaban empleando hasta ahora —fundamentalmente la hidrólisis y la extracción térmica— son en su mayoría caros y utilizan grandes cantidades de combustibles fósiles que contribuyen al aumento de la temperatura del planeta. Un informe de 2018 de la Agencia Internacional de la Energía aseguraba que el 96% del hidrógeno que se produce en el mundo los utiliza.

El otro gran problema, como hemos comentado, es el precio. Según el Departamento de Energía de los EEUU, el coste por kilogramo de hidrógeno verde en 2021 era de cinco dólares por kilo, aunque desde la Administración norteamericana ya han propuesto iniciativas que tienen como objetivo reducirlo a un dólar por kilo dentro de 10 años. Además, aparte de los avances que hemos visto en los métodos de extracción de hidrógeno verde en los últimos tiempos, muchos países se han planteado como objetivo reducir sus costos de producción.

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