Un nuevo sistema imita la fotosíntesis para transformar el CO2 en productos químicos valiosos

Un equipo de Siemens Corporate Technology, en Múnich, ha desarrollado un sistema capaz de imitar la fotosíntesis para transformar el CO2 en productos químicos de gran valor para la industria. Para imitar el proceso biológico, se utiliza el excedente de energía de las renovables.

Según la firma, no existe ninguna otra reacción química tan productiva como la fotosíntesis, un biomecanismo por el que la energía solar y el agua convierten el CO2 en energía rica en sustancias para las plantas. De hecho, los científicos han estimado que las plantas producen 150.000 millones de toneladas de energía rica en biomasa en todo el mundo cada año y, por ello, estudian la forma de replicarlo.

Aunque todavía no se ha conseguido recrear el proceso en su totalidad, ya que involucra muchas estructuras de proteínas complejas e interconectadas difíciles de imitar en un laboratorio, los desarrolladores de Siemens acaban de dar un importante paso para hacer realidad la fotosíntesis sintética. Para ello, han creado unos módulos del tamaño de una caja de zapatos donde se pueden simular energéticamente el dióxido de carbono, de la misma forma que en las células vegetales.

Dependiendo de las condiciones en las que se realicen estas pruebas, el CO2 activado reacciona para crear una gran variedad de otro tipo de moléculas como: el etileno, un componente que la industria a química necesita para la producción de plásticos; el gas metano rico en energía, el principal componente del gas natural; o el monóxido de carbono, que puede ser utilizado para producir combustible como el etanol, por ejemplo.

Renovables para transformar el CO2

Las plantas aprovechan el dióxido de carbono a través de la absorción de energía de la luz utilizando pigmentos como la clorofila verde. Este proceso libera electrones ricos en energía a partir de la clorofila. Enzimas que luego transfieren estos electrones al CO2, que lo convierten en activo químicamente y capaz de reaccionar con otros compuestos.

Numerosos equipos de investigación intentan replicar de forma completa este proceso biológico, especialmente en EEUU y Japón. Para Maximiliam Fleischer, director de la investigación de la fotosíntesis sintética de Siemens como parte del proyecto CO2toValue, esto es actualmente casi imposible. “Nosotros estamos intentando alcanzar la fotosíntesis por pasos”, explica.

La clave para Fleischer es que en vez de intentar capturar la luz, es necesario centrarse en activar el CO2 para poder transformarlo en otros productos, para lo que están utilizando la energía procedente de las fuentes renovables.

La base del proyecto es la creación de catalizadores químicos capaces de cargar el CO2 inerte con electrones ricos en energía. El reto es cargar sólo el dióxido de carbono con electrones y no con las moléculas de agua, ya que en ese caso se produciría hidrógeno convencional. Los especialistas de la Universidad de Lausanne en Suecia y científicos de la Universidad de Bayreuth trabajan con el equipo de Fleischer para desarrollar catalizadores para Siemens. Esta colaboración ya ha dado lugar a la creación de una variedad de ellos.

El pequeño módulo de fotosíntesis que utilizan los investigadores es básicamente una célula de electrólisis, en la que una corriente es conducida a través de electrodos en agua altamente carbonatada y que funciona como un conductor eléctrico. El reto es fabricar el cátodo, el polo negativo del catalizador especial, capaz de transferir electrodos directamente en el CO2 para producir el producto deseado.  “El proceso ya funciona muy bien para la producción de monóxido de carbono”, explica Fleischer.  Los investigadores de Siemens se han centrado en crear sustancias necesarias para la industria química, ya que a día de hoy este sector depende casi en su totalidad de las materias primas derivadas del petróleo.

'Trampa de luz'

Una fábrica a gran escala está ya operando en el laboratorio de Fleischer. Con esta factoría de prueba, los investigadores quieren ir un paso más allá y capturar la energía del sol. La idea es realizar la fotosíntesis en un módulo de vidrio parecido a las células fotovoltaicas.

La luz podría transmitirse desde la parte de arriba mientras que el dióxido de carbono puede fluir en el sistema desde la parte de abajo. Algo que han denominado 'trampa de luz', donde en lugar de intentar imitar las complejas moléculas de clorofila, se utilizarían 'granos de recolección de luz' basados en semiconductores. Estos granos pueden estar envueltos por los catalizadores y, si todo funciona, los semiconductores suministrarían electrones ricos en energía, con los que después los catalizadores podrían transferir CO2 en fracciones de segundos. Todo el proceso debería ser conducido por la luz. 

Se espera que este nuevo sistema esté listo en un par de años. Dependiendo de su aplicación, la fábrica del futuro utilizará inicialmente el C02 procedente de la emisión de los gases producidos por las centrales eléctricas, fábricas y plantas químicas. Para poder llevarlo a cabo, los investigadores están desarrollando materiales capaces de absorber C02 como una esponja  y por tanto poder concentrarlo. Esto permitiría la producción de metanol, un valioso biocombustible.