CHEMISTRY: MYSTERY # 7/ MISTERIO No.7

How Do We Tap More Solar Energy?

With every sunrise comes a reminder that we currently tap only a pitiful fraction of the vast clean-energy resource that is the sun. The main problem is cost: the expense of conventional photovoltaic panels made of silicon still restricts their use. Yet life on Earth, almost all of which is ultimately solar-powered by photosynthesis, shows that solar cells do not have to be terribly efficient if, like leaves, they can be made abundantly and cheaply enough.

“One of the holy grails of solar-energy research is using sunlight to produce fuels,” says Devens Gust of Arizona State University. The easiest way to make fuel from solar energy is to split water to produce hydrogen and oxygen gas. Nathan S. Lewis and his collaborators at Caltech are developing an artificial leaf that would do just using silicon nanowires.

Earlier this year Daniel Nocera of the Massachusetts Institute of Technology and his co-workers unveiled a siliconbased membrane in which a cobaltbased photocatalyst does the water splitting. Nocera estimates that a gallon of water would provide enough fuel to power a home in developing countries for a day. “Our goal is to make each home its own power station,” he says. 

Splitting water with catalysts is still tough. “Cobalt catalysts such as the one that Nocera uses and newly discovered catalysts based on other common metals are promising,” Gust says, but no one has yet found an ideal inexpensive catalyst. “We don’t know how the natural photosynthetic catalyst, which is based on four manganese atoms and a calcium atom, works,” Gust adds.

Gust and his colleagues have been looking into making molecular assemblies for artificial photosynthesis that more closely mimic their biological inspiration, and his team has managed to synthesize some of the elements that could go into such an assembly. Still, a lot more work is needed on this front. Organic molecules such as the ones nature uses tend to break down quickly. Whereas plants continually produce new proteins to replace broken ones, artificial leaves do not (yet) have the full chemicalsynthesis machinery of a living cell at their disposal.

Cómo podemos aprovechar mejor la energía solar? 

Con cada amanecer recibimos un recordatorio de que actualmente sólo usamos una fracción despreciable del vasto recurso de energía limpia que es el sol. El principal problema es el costo: el precio de paneles convencionales fotovoltaicos de silicio todavía restringe su uso. Pero en definitiva, casi toda la vida en la Tierra, es alimentada por energía solar mediante la fotosíntesis, muestra que las celdas solares no tienen por qué ser tan eficientes si, como las hojas, pueden ser abundantes y bastante baratas.

"Uno de los santos griales de la investigación de energía solar es utilizar la luz solar para producir combustibles", dice Devens Gust de Arizona State University. La forma más fácil para hacer combustible a partir de energía solar es dividir el agua para producir gas hidrógeno y gas oxígeno. Nathan S. Lewis y sus colaboradores del Caltech están desarrollando una hoja artificial que lo haría utilizando sólamente nanocables de silicio. 

A principios de este año, Daniel Nocera, del Instituto Tecnológico de Massachusetts y sus compañeros de trabajo dieron a conocer una membrana basada en silicón en la que un fotocatalizador base cobalto hace la división del agua. Nocera calcula que un galón de agua proporcionaría suficiente combustible para alimentar un hogar en los países en desarrollo en un día. "Nuestro objetivo es hacer de cada hogar su propia central eléctrica,"  dice.

La división de agua con catalizadores sigue siendo difícil. "Catalizadores de cobalto, como el que utiliza Nocera y catalizadores recién descubiertos sobre la base de otros metales comunes son prometedores" Gust dice, pero nadie ha encontrado aún un catalizador barato ideal. "No sabemos cómo funciona el catalizador de fotosíntesis natural, que se basa en cuatro átomos de manganeso y un átomo de calcio", añade Gust.

Gust y sus colegas han estado buscando en la fabricación de ensamblajes moleculares para la fotosíntesis artificial, que imita más de cerca su inspiración biológica, y su equipo ha logrado sintetizar algunos de los elementos que intervienen en dicha proceso. Sin embargo, todavía hay es mucho el trabajo que se necesita en esto. Como las moléculas orgánicas son usadas por los seres en la naturaleza, tienden a descomponerse rápidamente. Mientras que las plantas producen continuamente nuevas proteínas para reemplazar las rotas, las hojas artificiales, no tienen aún la maquinaria de síntesis química de toda célula viva a su disposición.