¿Lograremos la fotosíntesis artificial?

Una hoja artificial hecha de silicio, níquel y cobalto e inspirada en una planta china (Anemone vitifolia) que produce energía cuando recibe la luz solar. Ese fue el original invento que, en 2011, presentó Daniel Nocera, reputado investigador del MIT (Massachusetts Institute of Technology), y que levantó gran expectación en la comunidad científica. Pero el proyecto no cuajó, y el prototipo del que se hacía eco la prestigiosa revista Science se ha quedado en nada. Pese a sus esfuerzos, Nocera no consiguió copiar a las plantas la receta secreta para desarrollar una tecnología comercialmente viable y eficiente que produzca energía almacenable a partir de rayos de sol, agua y una bocanada de dióxido de carbono.

Es imposible recrear con todo detalle las sofisticadas estructuras fotosintéticas naturales"

Y es que en lo que a eficiencia energética se refiere, la naturaleza nos lleva una gran ventaja. Después de todo, ha tenido miles de millones de años para perfeccionar el proceso que le permite capturar la luz y almacenarla como una energía química útil a través de la fotosíntesis. "Cuando intentamos copiar estos procesos en el laboratorio usamos sistemas mucho más escuetos que contienen solo las partes esenciales del proceso, porque es imposible recrear con todo detalle las sofisticadas estructuras fotosintéticas naturales", admite Lisa M. Utschig, bioquímica del Laboratorio Nacional Argonne. Y sabe bien de lo que habla. Lleva más de dos décadas estudiando el proceso y asegura que, en los intentos de copiar la fotosíntesis en el laboratorio, "es posible que estemos omitiendo algo que emplea la naturaleza para que el proceso sea eficiente".

"A veces no sabemos qué piezas son esenciales para copiar la fotosíntesis hasta que las probamos, lo que hace que los experimentos sean más desafiantes, pero también que estemos ante un divertido misterio que resolver", añade. Con esta actitud detectivesca, Utschig no para de buscar pistas, y sus últimas pesquisas apuntan a que la clave puede estar en los intercambios moleculares.

Para entender a qué se enfrentan los investigadores hay que tener en cuenta que la principal diferencia entre la fotosíntesis natural y la artificial es que mientras las plantas, algas y bacterias captan la luz solar y la almacenan en forma de azúcares que consumen las células, en el laboratorio la energía se almacena en moléculas de hidrógeno. "Esto es importante porque el hidrógeno es un combustible limpio, que cuando se quema solo genera agua, y puede ser almacenado", aclara Utshig.

En su último experimento, Utschig y sus colegas han combinado tres elementos: una proteína extraída de las espinacas, un fotosintetizador que absorbe la luz y un catalizador que produce una molécula de hidrógeno. Cuando el sistema se ilumina, el fotosintetizador emite dos electrones que, después de atravesar la proteína, llegan al catalizador, que es el que genera hidrógeno. Lo que el equipo de Utschig ha hecho es observar con técnicas espectroscopía óptica y de resonancia paramagnética este movimiento de los electrones de un modo que no se había observado antes. Una vez que no lo analicen sabrán dónde se pierde eficiencia y podrán perfeccionar el proceso para lograr que la fotosíntesis artificial sea una realidad.

122 millones de dólares invertidos en el Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) y ocho equipos de investigadores dedicados en exclusiva a desarrollar la fotosíntesis artificial dan la idea de que Estados Unidos apuesta de lleno por este futuro energético. Uno de esos equipos está liderado por el físico y matemático John Gregorie, cuya misión es que el conocimiento científico sobre la fotosíntesis se convierta en "innovación real". "Capturar la luz eficientemente, llevar a cabo reacciones catalíticas para obtener hidrógeno y separar el combustible para su extracción sencilla son tres procesos desafiantes que están más que conseguidos por separado en el laboratorio", asegura Gregorie.

Y aunque todos necesitan mejoras, a su entender "el mayor reto actual de los ingenieros consiste en combinar los tres en un solo dispositivo que cumpla el doble requisito de eficiencia y durabilidad". En el JCAP tienen ya un prototipo que, según sus propias palabras, "produce hidrógeno con una eficiencia que excede a la de la fotosíntesis natural". El reto de Gregorie y su equipo ahora es "establecer métodos que permitan testar nuevos materiales y nuevos conceptos rápidamente en los dispositivos, para acelerar el ciclo de desarrollo tecnológico de varios años a solo unos meses".

EE UU ha invertido 122 millones de dólares y ocho equipos de investigadores a desarrollar la fotosíntesis artificial

Parece que el final del camino empieza a vislumbrarse. Lograr la fotosíntesis artificial revolucionaría el campo de las energías renovables porque ofrece "la capacidad única de generar todo el combustible líquido que necesitamos sin carbono", reflexiona Gregorie. Pero sustituir los combustibles fósiles por luz de sol implica mucho más que reducir la emisión de gases a la atmósfera, con el consiguiente beneficio para el clima. "La luz solar no es geopolítica y es gratis para todos", afirma con esperanza Utschig. Gregorie coincide en este enfoque, pero a la vez advierte que hay que ponerse a trabajar de inmediato en una estrategia de desarrollo conjunta entre científicos, ingenieros y políticos. "Desarrollar una infraestructura revolucionaria para esta nueva forma de energía no es cuestión de años sino de décadas, y exigirá además una evolución en políticas energéticas", reflexiona.