Fotosíntesis artificial
La fotosíntesis artificial és un camp d'investigació, que intenta imitar la fotosíntesis natural de les plantes, en la finalitat de convertir diòxit de carbono i aigua en carbohidrats i en oxigen, utilisant per a això la llum del Sol.
En la fotosíntesis natural intervenen dotzenes d'enzimes que catalizan vàries reaccions individuals, pero tot el procés pot dividir-se conceptualment en dos fases principals que interactuen per mig de molècules transportadoras d'energia: les reaccions lluminoses, que depenen de la llum del Sol, i les reaccions obscures, que poden ocórrer en absència de llum. Estes reaccions tenen molta importància tant des del punt de vista científic com des del punt de vista econòmic, donada la seua potencial aplicació en l'explotació de l'energia solar, no obstant el procés és tan complex que encara en un laboratori és difícil de replicar.
El terme fotosíntesis artificial s'aplica a aquells processos que, inspirats en la fotosíntesis natural, busquen utilisar l'energia solar per a produir atres tipos d'energia que puguen ser aprofitats pel ser humà de manera neta i eficient, de manera que en un futur es puga produir una «planta artificial» que siga capaç d'almagasenar energia en forma de composts orgànics a partir d'òxit carboxílic i oli. Açò fa que la fotosíntesis artificial siga una tecnologia atractiva no només des del punt de vista pràctic i econòmic, sino també des del punt de vista ecològic, ya que potencialment podria ajudar a mitigar o revertir alguns dels efectes adversos produïts pel consum de combustibles fòssils com el calfament global.
Les investigacions sobre fotosíntesis artificial es poden dividir d'acort en la fase de la fotosíntesis natural que busquen replicar: la separació de molècules d'aigua per a obtindre hidrogen i oxigen que ocorre en la fase lluminosa, i la fixació del diòxit de carbono que ocorre en la fase obscura.
Separació de molècules d'aigua en la cèlula (fase lluminosa)
[editar | editar còdic]La fase lluminosa, com el seu nom ho indica, ocorre en presència de llum solar. Durant esta fase les plantes convertixen l'energia lluminosa – en forma de fotons – en energia química en forma de dos molècules transportadoras: ATP i NADPH. L'energia necessària per a estes reaccions és absorbida per molècules de pigment (tals com la clorofila, els carotenos i les ficocianinas) que junt en molècules transportadoras d'electrons formen complexos proteínicos molt especialisats denominats fotosistemas, els quals són alimentats en electrons provinents de molècules d'aigua que són descompostes en molècules d'hidrogen i oxigen.[1]
El procés que permet obtindre hidrogen i oxigen a partir d'aigua rep el nom d'electrólisis de l'aigua, i consistix en aplicar una càrrega elèctrica en suficient potencial sobre molècules d'aigua per a separar els àtoms que les componen, ya que és una reacció que no succeïx de manera espontànea. Per a realisar-la es necessiten quatre components, que tenen la seua correspondència dins de les plantes: un càtodo a on es concentra l'hidrogen (molècules de NADP+), un ànodo a on es concentra l'oxigen (que es llibera a l'aire), un electrolito o catalisador (els complexos fotosintéticos) i una font d'energia (les molècules de clorofila que absorbixen la llum del Sol).
Encara que la electrólisis és fàcilment replicable en un laboratori per mig de l'us d'electricitat, el repte consistix en fabricar dispositius, denominats celes fotoelectroquímicas, capaces d'utilisar l'energia solar per a mantindre la reacció d'acort en tres criteris: la reacció deu ser eficient, els materials amprats en la seua construcció deuen ser resistents a la corrosió provocada pel electrolito i els materials deuen acostar-se als llímits de potencial REDOX de l'hidrogen i l'oxigen.[2] Els criteris abans mencionats imponen grans llímits en la selecció dels materials amprats per a la fabricació del càtodo i l'ànodo, aixina com també en la selecció del catalisador utilisat.
L'hidrogen és un producte important ya que actualment s'utilisa per a la producció de fertilisants, para hidrolizar grasses, com un agent reductor d'alguns minerals i atres processos industrials,[3] pero també es pot utilisar com a combustible de manera directa, i inclús podria utilisar-se per a reemplaçar a la gasolina en els vehículs de motor. La major part de la producció d'hidrogen en l'actualitat es realisa a partir d'hidrocarburs, i s'utilisa en el mateix lloc a on s'obté puix permet sintetisar alguns derivats del petròleu,[4] per lo que usar-ho com a combustible pel moment no resulta tan viable. Els científics estan estudiant el procés de la fotosíntesis posat que en les reaccions lluminoses es produïx hidrogen a partir d'energia solar i aigua de manera molt eficient.[5]
Fixació del diòxit de carbono (fase obscura)
[editar | editar còdic]Durant la fase obscura, les plantes ocupen l'energia almagasenada en molècules de ATP i NADPH produïdes durant les reaccions lluminoses per a sintetisar glucosa a partir de diòxit de carbono i aigua, i se li crida fase obscura ya que les reaccions poden ocórrer en absència de llum, sempre i quan existixquen suficients molècules de ATP i NADPH disponibles. A este conjunt de reaccions també se'ls coneix en el nom de Cicle de Calvin-Benson o C3 (carbono 3).
La fixació del carbono inicia en molècules de BPRu, un sucre especial de cinc carbono, cada una de les quals es combina en una molècula de CO2 de l'atmòsfera per a produir dos molècules de PGAL utilisant energia l'almagasenada en el ATP i el NADPH. De cada dotze molècules de PGAL sintetisades, només cinc s'utilisen per a regenerar el BPRu utilisat a l'inici del cicle, i les dos restants s'ocupen per a la síntesis de glucosa i atres molècules orgàniques que la planta necessite. L'aspecte més important d'este conjunt de reaccions des del punt de vista científic és precisament que és un procés cíclico, de manera que els mateixos reactius es poden utilisar una i una atra volta, de manera molt eficient, per a almagasenar el bióxido de carbono absorbit de l'aire en composts orgànics que poden ser usats posteriorment, és dir, en l'equivalent a un combustible.
Encara que ya existixen catalisadors capaços de convertir CO2 en monòxit de carbono (CO), el seu problema és que actualment són molt ineficientes. Per al disseny de nous catalisadors, els científics busquen inspiració en la coenzima NADP+/NADPH, la qual es pot vore com un “braç robòtic” que arreplega un protón i dos electrons de l'aigua durant les reaccions lluminoses i els utilisa posteriorment durant el cicle C3 per a produir carbohidrats. Lo que fa a esta molècula tan particular és que durant la fotosíntesis és reciclable, de manera que la mateixa molècula es pot utilisar vàries voltes, una característica que encara no s'ha pogut replicar en el laboratori.[6]
L'objectiu principal de les investigacions referents a la fase obscura consistix en poder generar una molècula que en presència de llum solar siga capaç de reactivar-se, i de la mateixa manera que en la electrólisis, es pretén entendre be este procés per a poder dissenyar catalisadors artificials capaços de produir combustibles a partir de bióxido de carbono o algun dels seus derivats en un futur.
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Audesirk, Teresa i Audesirk, Gerald. Biologia, la vida en la terra, 4a ed. Mèxic: Prentice Hall, 1996
- ↑ National Renewable Energy Laboratory. Photoelectrochemical Systems for H2 Production (Presentation)«Copia archivada». Archivat des d'el original, el 11 de juny de 2011. Consultat el 2 de maig de 2011.
- ↑ Els Alamos National Laboratory. Chemistry Operations: Hydrogen[1]
- ↑ Oxtoby, David W., Gillis, H.P., Nachtrieb, Norman H. Principles of Modern Chemistry: Thomson/Brooks/Cole, 2005
- ↑ DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory. Untangling the quàntum entanglement behind photosynthesis. ScienceDaily.[2]
- ↑ Nozik, Arthur J., Archer, Mary D. Photochemical and Photoelectrochemical Approaches to Solar Energy Conversion. World Scientific Pub Co Inc., 2008
- Este artícul conté una traducció derivada de «Fotosíntesis artificial» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.