Fuentes de energía renovables
La fotosíntesis artificial es un proceso químico que imita el proceso natural de la fotosíntesis para convertir la luz solar, el agua y el dióxido de carbono en carbohidratos y oxígeno. El término fotosíntesis artificial se utiliza comúnmente para referirse a cualquier esquema para capturar y almacenar la energía de la luz solar en los enlaces químicos de un combustible (un combustible solar). La división fotocatalítica del agua convierte el agua en hidrógeno y oxígeno y es uno de los principales temas de investigación de la fotosíntesis artificial. La reducción del dióxido de carbono impulsada por la luz es otro proceso estudiado que reproduce la fijación natural del carbono.
La investigación sobre este tema incluye el diseño y montaje de dispositivos para la producción directa de combustibles solares, la fotoelectroquímica y su aplicación en pilas de combustible, y la ingeniería de enzimas y microorganismos fotoautótrofos para la producción microbiana de biocombustibles y biohidrógeno a partir de la luz solar.
La reacción fotosintética puede dividirse en dos semirreacciones de oxidación y reducción, ambas esenciales para producir combustible. En la fotosíntesis de las plantas, las moléculas de agua se foto-oxidan para liberar oxígeno y protones. La segunda fase de la fotosíntesis vegetal (también conocida como ciclo de Calvin-Benson) es una reacción independiente de la luz que convierte el dióxido de carbono en glucosa (combustible). Los investigadores de la fotosíntesis artificial están desarrollando fotocatalizadores capaces de realizar ambas reacciones. Además, los protones resultantes de la división del agua pueden utilizarse para la producción de hidrógeno. Estos catalizadores deben ser capaces de reaccionar rápidamente y absorber un gran porcentaje de los fotones solares incidentes[1].
Todas las fuentes naturales de energía son renovables
A medida que la sociedad avanza, la necesidad de desarrollar una fuente de energía renovable que sea alternativa a nuestros perjudiciales estándares está cada vez más presente. El uso de los combustibles fósiles convencionales sigue agotando los recursos naturales y emitiendo gases de efecto invernadero que dificultan la seguridad de nuestro entorno. A lo largo de los años, los científicos han explorado numerosos sustitutos que podrían contribuir a disminuir nuestra dependencia de los combustibles fósiles, que constituyen aproximadamente el 80% del suministro energético mundial [1]. Por ello, cada vez es mayor el esfuerzo por establecer un sistema de generación de energía de alta tecnología que se inspira fundamentalmente en la propia naturaleza. Este concepto se denomina fotosíntesis artificial; está diseñado para imitar las reacciones biológicas que tienen lugar en las plantas naturales, las algas y algunas bacterias para producir esencialmente su propia energía que almacenan en enlaces químicos [2].
El sol proporciona suficiente energía en la superficie de la tierra cada treinta minutos para abastecer la demanda energética de la humanidad durante todo un año [3]. A diferencia de los combustibles fósiles, que están distribuidos de forma desigual en el mundo, lo que a menudo provoca tensiones políticas o problemas de disponibilidad [1], la luz solar está enormemente disponible y geográficamente dispersa [4]. Muchos afirman que la única fuente suficientemente potente para alimentar a la sociedad a largo plazo es la energía solar [5]. En otras palabras, el sol es nuestra única esperanza.
Ejemplos de fuentes de energía artificiales
Este libro analiza los principios y procesos básicos de la conversión de la energía solar en la fotosíntesis natural. A continuación, los compara directamente con los recientes desarrollos y conceptos que se están llevando a cabo en los sistemas fotosintéticos artificiales, capaces de utilizar la luz solar para convertir el dióxido de carbono y el agua en un combustible químico. En este sentido, se centra en las células fotoelectroquímicas, en las que se utilizan fotoánodos y cátodos semiconductores modificados con (electro) catalizadores para oxidar el agua, producir hidrógeno y reducir el dióxido de carbono en un dispositivo monolítico. Se presentan y discuten los procesos fotoquímicos y fotofísicos fundamentales implicados, junto con los mecanismos de protección y los cálculos de eficiencia para la fotosíntesis natural y artificial. A su vez, se identifican los parámetros clave que son cruciales para el funcionamiento eficiente de la fotosíntesis natural. Por último, se examina su validez y aplicabilidad en el diseño de sistemas artificiales de separación de agua por energía solar.
Qué es la energía artificial
Estas fuentes de energía se denominan no renovables porque sus suministros están limitados a las cantidades que podemos minar o extraer de la tierra. El carbón, el gas natural y el petróleo se formaron durante miles de años a partir de los restos enterrados de antiguas plantas y animales marinos que vivieron hace millones de años. Por eso también llamamos a esas fuentes de energía combustibles fósiles.
La energía nuclear se produce a partir del uranio, una fuente de energía no renovable cuyos átomos se dividen (mediante un proceso llamado fisión nuclear) para crear calor y, finalmente, electricidad. Los científicos creen que el uranio se creó hace miles de millones de años, cuando se formaron las estrellas. El uranio se encuentra en toda la corteza terrestre, pero la mayor parte es demasiado difícil o demasiado cara para extraerlo y transformarlo en combustible para las centrales nucleares.
Durante la mayor parte de la historia de la humanidad, la biomasa de las plantas era la principal fuente de energía, que se quemaba para obtener calor y alimentar a los animales utilizados para el transporte y el arado. Las fuentes no renovables empezaron a sustituir la mayor parte del uso de la energía renovable en Estados Unidos a principios del siglo XIX, y a principios del siglo XX, los combustibles fósiles eran las principales fuentes de energía. El uso de la biomasa para calentar los hogares siguió siendo una fuente de energía, pero principalmente en las zonas rurales y para el calor suplementario en las zonas urbanas. A mediados de la década de 1980, el uso de la biomasa y otras formas de energía renovable comenzó a aumentar, en gran medida debido a los incentivos para su uso, especialmente para la generación de electricidad. Muchos países están trabajando para aumentar el uso de las energías renovables como forma de ayudar a reducir y evitar las emisiones de dióxido de carbono.