Los trucos de las algas prehistóricas para mover coches de hidrógeno

El agua (H₂O) no es más que un par de átomos de hidrógeno unidos a uno de oxígeno. Separarlos requiere bastante energía, pero es algo que de forma natural hacen las plantas en la fotosíntesis, gracias a la luz. Conseguir hidrógeno (H₂) de forma limpia, segura y barata es la clave para el despegue del coche eléctrico de pila de combustible, entre otros usos. ¿Por qué no imitar a las plantas?

Una mujer, estudiante de doctorado en Cambridge (Reino Unido), se obsesionó con el tema. Ha habido múltiples intentos por emular esa química vegetal cotidiana capaz de hacer crecer árboles mastodónticos a partir de una semilla para mover camiones. Pero "la fotosíntesis natural no es eficiente [para el uso humano] porque ha evolucionado simplemente para que las plantas puedan sobrevivir, convierte y almacena una cantidad mínima de energía que no llega ni al 2% de lo que podría", explica desde Cambridge Katarzyna Sokół, investigadora del St. John's College, que acaba de presentar en Nature un nuevo método que imita con más eficiencia a las plantas. O, más exactamente, las algas.

Una proteína de las algas primitivas era capaz de extraer el hidrógeno del agua

El enfoque de Sokół se inspira en un salto atrás en la historia terrestre. Hubo un tiempo en que el hidrógeno movía el mundo. El H₂ fue una fuente de energía vital para los organismos durante las primeras etapas de nuestro planeta, bajo condiciones atmosféricas en que no había oxígeno. Allí, en aquellas aguas, se hicieron fuertes las algas. "Se descubrió que una enzima de éstas, la hidrogenasa, es responsable de la evolución [producción] del H₂", explica Sokół a El Independiente por correo electrónico. "Como la hidrogenasa es una enzima sensible al O₂, su actividad se suprimió y se apagó cuando se desarrollaron dos enzimas fotosintéticas". Es decir, cuando nació la fotosíntesis, hace unos 3.600 millones de años, su mecanismo para conseguir energía cambió. Ya no tenían que romper el agua para sacar hidrógeno. Las plantas empezaron a usar luz y CO₂.

Esa evolución fue clave para los animales, pues estas nuevas enzimas son responsables de la producción de oxígeno de origen vegetal. En el laboratorio de Sokół lo que han hecho es resucitar aquellos mecanismos primitivos, latentes en las algas, para que se comporten como hace millones de años.

Dispositivo desarrollado para hacer fotosíntesis semiartificial y extraer H2 Katarzyna Sokół

Ahora volvemos al siglo XXI. Los humanos usamos energía solar que convertimos en electricidad y/o combustible. El problema es almacenarla. En esto, las plantas nos llevan cierta ventaja. "La fotosíntesis natural ha evolucionado para almacenar energía solar y consumir el gas de efecto invernadero CO₂ trasformándolo en azúcares, pero este proceso no es muy eficiente.

Varios laboratorios trabajan ya en fotosíntesis artificial desde hace años. Sin embargo, "está limitada por catalizadores poco eficientes y no selectivos, así como por la incorporación de absorbentes de luz y materiales costosos y a menudo tóxicos, como metales de tierras raras", señala la investigadora. Así que para revivir aquella química de las primeras algas han tirado de lo más parecido que tenemos hoy a mano: bacterias capaces de hacefr algo parecido. La bacteria Desulfomicrobium baculatum "tiene propiedades más ventajosas a la hora de romper moléculas de agua". Aquí juegan parte del rol de las algas primitivas. "De estas sólo sacamos el componente que nos interesa". Es decir, no es que planteen granjas de algas y bacterias para producir combustible (cosa que también se está experimentando en otros sitios).

Por eso su laboratorio plantea un modelo mixto, mezcla artificial y natural. "En términos de desarrollo de materiales, utilizamos electrodos tridimensionales basados ​​en materiales de óxido de metal estables y robustos. También empleamos un polímero redox para permitir un cableado eléctrico más eficiente entre el tinte sintético (el que absorbe la luz verde) y el fotosistema II (que absorbe de luz roja y azul)". Es decir, en este punto funcionan imitando a la tecnología natural de una hoja verde vegetal.

De las hojas al depósito de combustible

La aplicación de ese hidrógeno producido podría estar en las celdas de combustible, ofreciendo una tecnología limpia y sostenible. Sin embargo, "es importante enfatizar que el sistema presentado es un dispositivo de prueba y es un sistema modelo para construir dispositivos de fotosíntesis semiartificiales en esta etapa, ya que es demasiado frágil para ser aplicado como una tecnología económica", matiza Sokół. Sin embargo, "podría permitirnos reemplazar componentes y no sólo usarla para dividir moléculas de agua con la luz del Sol, sino ampliar la tecnología para a la conversión de CO2 y reemplazar las enzimas frágiles por catalizadores de células enteras en el futuro".

Uno de los grandes retos es producir hidrógeno cerca de los puntos de suministro (hidrogeneras) y el almacenamiento. ¿Veremos criaderos de bacterias junto a las estaciones de servicio del futuro? Nada hace pensar eso por el momento, aunque, volviendo sobre las algas, sí que está trabajando en biorefinerías con estos seres. Eso sí, no para vehículos eléctricos.

Algas mutantes para producir biocombustible

Criadero de algas Arizona State University

Estados Unidos ha invertido 3,5 millones de dólares en desarrollar tecnología que conviertan algas en carburante para vehículos. Las estrategias incluyen aumentar la productividad del cultivo de algas, optimizar la composición de la biomasa y extraer y separar diferentes tipos de grasas de algas para producir diésel renovable.

Los investigadores utilizarán una especie de alga llamada Desmodesmus armatus que editarán mediante corta-pega de genes por CRISPR. De esa forma crecerán más y mejor. Para este proyecto, el equipo trabajará para fermentar los carbohidratos en las células de algas en productos químicos de interés, incluido el etanol, así como un precursor de combustible llamado 2,3 butanodiol.

En noviembre de 2017, científicos de Singapur presentaron una fotosíntesis artificial a partir de agua, sol y dióxido de carbono. El resultado era un bioalcohol. La cuestión es que capturar CO2 requiere de otros compuestos químicos y la continuidad de la reacción química dependía de una batería solar.

Los bioalcoholes se plantean como una alternativa a otros biocombustibles (maíz, girasol o palma) más perjudiciales para el medio ambiente y determinadas comunidades agrícolas locales, que han visto cómo se ha alterado el uso de sus tierras.