Energía
¿Podría la fotosíntesis artificial desbloquear la economía del hidrógeno?
Reemplazando la fotosíntesis natural
Directly or indirectly, a massive amount of the energy we use has been produced through photosynthesis. This is of course true of the calories powering our bodies, but ultimately also of fossil fuels, which are just “stored” photosynthesis from plants that died eons ago.
Entonces, muchos esfuerzos se han dedicado a mejorar la fotosíntesis natural o aprovecharla para nuevos usos, como crear biocombustibles a partir de algas. Construir a gran escala podría resultar crucial para limitar el aumento de la concentración de CO2 en la atmósfera.
¿Pero qué pasaría si pudiéramos imitar el proceso de fotosíntesis sin tener que lidiar con organismos vivos? Después de todo, es un proceso electroquímico que no requiere necesariamente células vivas para ocurrir. Esta es la promesa de la llamada “fotosíntesis artificial”.
Elevaría nuestra capacidad de capturar la energía del sol un paso por encima de la fotovoltaica, que solo puede generar electricidad a partir de la luz solar pero no afecta directamente a las reacciones químicas.
Tres investigadores del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST) y la Universidad de Tokio podrían haber acercado esta tecnología un paso más a la realidad. En un artículo publicado en Chemical Communications bajo el título “Hidrogeles bioinspirados: diseños poliméricos hacia la fotosíntesis artificial1”.
¿Cómo funciona la fotosíntesis?
En las plantas, la fotosíntesis es, en términos generales, el proceso de absorber CO2 y agua, usar la luz como fuente de energía y producir carbohidratos y oxígeno.
Fuente: Britannica
Dicho esto, parece que esto puede reducirse a una ecuación química muy simple y podría replicarse fácilmente de forma artificial.
Fuente: Britannica
Es otra historia cuando se observa cómo se lleva a cabo. La fotosíntesis vegetal es en realidad una de las maquinarias bioquímicas más complejas, con docenas de reacciones intermedias, una miríada de subcomponentes y, a veces, mecanismos moleculares poco comprendidos que implican elaborados movimientos de electrones.
La explicación sintética de este tema en la enciclopedia Britannica no tiene menos de 10.000 palabras. Los científicos que lo estudian deben enfrentarse a esquemas mucho más complejos para comenzar a tener una visión general de la fotosíntesis:
Fuente: Lumen Learning
Aunque en la naturaleza se utiliza principalmente para crear carbohidratos, la fotosíntesis podría, en teoría, usarse para muchas otras aplicaciones que empleen la luz como fuente de energía, como, por ejemplo, la síntesis de hidrógeno a partir del agua (fotocatálisis).
Hidrogeles bioinspirados para la producción de hidrógeno
Como uno de los pasos de la fotosíntesis natural es la división del agua en oxígeno y 2 átomos de H+, parece que replicar solo ese paso sería más fácil que intentar imitar todo el proceso. Esto es en lo que han trabajado los investigadores japoneses, utilizando hidrogeles.
Fuente: Chemical Communications
Utilizaron moléculas funcionales, como complejos de rutenio y nanopartículas de platino, que trabajan juntas para simular el proceso natural de fotosíntesis y son conocidas como poderosos fotocatalizadores. La innovación está en cómo organizaron estas partículas:
“Lo que es único aquí es cómo se organizan las moléculas dentro del hidrogel. Al crear un entorno estructurado, hemos hecho que el proceso de conversión de energía sea mucho más eficiente.”
Reina Hagiwara – estudiante de doctorado en JAIST
Fuente: Chemical Communications
Eficiencia mejorada
Otra mejora clave al usar hidrogel en comparación con métodos anteriores es que evita que las partículas metálicas se aglomeren, lo que tiende a reducir la eficacia del proceso.
“El mayor desafío fue descubrir cómo disponer estas moléculas para que pudieran transferir electrones de manera fluida. Al usar una red de polímeros, pudimos evitar que se aglomeraran, lo cual es un problema común en los sistemas de fotosíntesis sintética.”
El resultado final fue una fotocatálisis mucho más eficiente, produciendo más hidrógeno que las técnicas anteriores.
Fuente: Chemical Communications
Gel captador de luz
Otro factor que mejora la eficiencia es que el gel esencialmente atrapa la luz, aumentando su probabilidad de impulsar la reacción química deseada.
La cuidadosa elaboración del microgel se optimizó para crear diámetros menores que la longitud de onda de la luz visible. Esto también permitió integrar las partículas microscópicas de platino y rutenio en el gel dentro de una malla organizada.
Fuente: Chemical Communications
¿La clave de la revolución del hidrógeno?
El hidrógeno, o el amoníaco producido a partir del hidrógeno, ha sido considerado durante mucho tiempo como un combustible potencialmente ideal para impulsar al mundo con energía verde.
Al estar en forma química en lugar de eléctrica, el hidrógeno podría almacenar energía verde durante un período mucho más largo y ser un reemplazo mejor que las baterías para los combustibles fósiles en aplicaciones clave como el transporte marítimo o las industrias pesadas.
El problema es que la producción de hidrógeno mediante electrólisis es un proceso que consume mucha energía y también es bastante ineficiente. Esto hace que la mayor parte de la energía verde utilizada para producir hidrógeno se desperdicie, dañando la viabilidad económica de la idea.
Este problema de eficiencia del hidrógeno verde se debe fundamentalmente a que el concepto actual requiere demasiados pasos: luz -> corriente continua -> electrólisis -> generación de hidrógeno. Cada paso adicional reduce la eficiencia y genera costos extra de capital y recursos para la maquinaria involucrada.
Esto empeora aún más si la corriente continua debe convertirse en corriente alterna y transportarse a través de la red desde los parques solares hasta el sitio de síntesis de hidrógeno.
La fotocatálisis directa lo convertiría en “luz -> generación de hidrógeno” sin pasos intermedios.
Los próximos pasos
Polímeros mejorados
Esta publicación demuestra que una red cuidadosamente organizada de partículas fotocatalíticas puede ser un factor decisivo en la producción de hidrógeno. El hidrogel utilizado aquí podría ser solo un peldaño.
Los investigadores esperan que se diseñen redes poliméricas más avanzadas. Esto podría incluir fijar los componentes catalíticos no solo como pequeñas partículas sino como largas cadenas moleculares delgadas, aumentando la superficie de contacto y la captura de luz. El uso futuro de supramoléculas naturales, como la tubulina/microtúbulos, también es posible.
Más que hidrógeno
El estudio se centró en la generación de hidrógeno, pero esto está lejos de ser la única reacción química que podría catalizarse con la luz solar.
Por ejemplo, investigadores japoneses en Osaka han encontrado una forma de generar ácido fumárico a partir de bicarbonato y ácido pirúvico derivado de biomasa, utilizando otra forma de fotosíntesis artificial.
Más allá del platino
Muchos de los métodos de generación de hidrógeno dependen de la división de moléculas de agua usando platino u otros metales raros de la misma familia que el rutenio. Y esto podría ser uno de los argumentos para invertir en platino, además de la creciente popularidad de los vehículos híbridos.
Al mismo tiempo, el alto costo del platino ha impulsado a los investigadores a buscar alternativas más rentables.
Puedes leer algunos ejemplos en Avances en la producción de hidrógeno con electrólisis basada en níquel” y “Generación de hidrógeno mediante la división del agua con viruta incrustada”.
Quizás estos avances en alternativas al platino podrían combinarse con el hidrogel y la fotocatálisis discutidos anteriormente, para crear un método de producción de hidrógeno de muy bajo costo usando solo metal barato, polímeros y luz solar.
Invertir en fotosíntesis artificial y hidrógeno
La fotosíntesis artificial es, por ahora, un campo experimental en desarrollo. Sin embargo, el potencial de la economía del hidrógeno es lo suficientemente grande como para que muchas empresas estén listas para invertir en la posibilidad.
Dado que muchos métodos de producción de hidrógeno dependen del platino, esto puede ser una opción: En realidad es posible comprar platino directamente para inversión en forma de metal físico, ya que la mayoría de los vendedores de lingotes de metales preciosos ofrecen monedas y barras de platino. La joyería de platino también es una posibilidad.
También se puede acceder a la reserva física de platino negociada a través del abrdn Physical Platinum Shares ETF (PPLT) y del GraniteShares Platinum Trust (PLTM).
Puedes invertir en empresas relacionadas con el hidrógeno a través de muchos corredores, y aquí, en securities.io, puedes encontrar nuestras recomendaciones de los mejores corredores en EE. UU., Canadá, Australia, y Reino Unido, así como en muchos otros países.
Si no te interesa seleccionar empresas específicas relacionadas con el hidrógeno, también puedes considerar ETFs como el VanEck Rare Earth and Strategic Metals ETF (REMX) para el aspecto del platino, o ETFs centrados en hidrógeno como el Global X Hydrogen ETF (HGEN) o el VanEck Hydrogen Economy UCITS (HDRO) que ofrecerán una exposición más diversificada para capitalizar el potencial del hidrógeno como fuente de energía.
Empresa de hidrógeno
(BLDP
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(BLDP )
Ballard es un fabricante de pilas de combustible y pionero de la tecnología con su primer autobús de pila de combustible en 1993.
La empresa se centra en mercados de alta demanda: autobuses, camiones, trenes/tranvías, barcos, minería/construcción y energía. Aunque los autobuses han sido el núcleo del negocio, la compañía espera que para 2025 los camiones sean un segmento importante. También prevé que Europa siga siendo su principal mercado (50‑60 %), seguido de Norteamérica (25 %).
Se espera que las pilas de combustible para camiones sigan creciendo y representen un mercado de 7.5 mil millones de dólares en 2030 (de un TAM de 195 mil millones), casi tan grande como todas las demás aplicaciones de hidrógeno/pilas de combustible combinadas.
Fuente: Ballard
Debido a la mayor potencia requerida y la necesidad de carga rápida, los vehículos de alta demanda han sido una buena opción para el hidrógeno y las pilas de combustible frente a vehículos más ligeros como los automóviles.
También reduce la necesidad de catenarias para el ferrocarril y la recarga rápida para el transporte de larga distancia.
Fuente: Ballard
La empresa tampoco es ajena al amoníaco, con, por ejemplo, un contrato reciente con Amogy para proporcionarle pilas de combustible para su “plataforma de amoníaco a energía que depende de una tecnología única de craqueo de amoníaco”.
Aunque los vehículos eléctricos tienen una oportunidad razonable de apoderarse rápidamente del mercado de automóviles, los vehículos más pesados son más difíciles de descarbonizar.
Con su liderazgo consolidado en el sector, Ballard sería un beneficiario principal de un impulso político hacia una economía del hidrógeno.
El enfoque en pilas de combustible también permite a la empresa beneficiarse de cualquier reducción de costos en la tecnología de generación de hidrógeno, sin importar el método, con o sin platino, y con o sin fotocatálisis.
Referencia del estudio:
1. Hagiwara, R., Yoshida, R., & Okeyoshi, K. (2024). Hidrogeles bioinspirados: diseños poliméricos hacia la fotosíntesis artificial. Chemical Communications, 60, 13314–13324. https://doi.org/10.1039/D4CC04033C
