18.10.2021 - Universiteit van Amsterdam

Científicos desarrollan una minicentral química autónoma impulsada por energía solar

Producción de productos químicos finos en lugares remotos de la Tierra, y posiblemente incluso en Marte - también la fachada podría hacer productos químicos

El profesor Timothy Noël y sus colaboradores del grupo de Química de Flujo del Instituto Van 't Hoff de Ciencias Moleculares de la Universidad de Ámsterdam han desarrollado un minirreactor autónomo alimentado por energía solar que ofrece la posibilidad de producir productos químicos finos en lugares remotos de la Tierra, y posiblemente incluso en Marte. En un artículo publicado por ChemSusChem, el equipo presenta su exclusivo sistema de fotoquímica totalmente independiente de la red.

El nuevo sistema, capaz de sintetizar fármacos y otros productos químicos en volúmenes económicamente relevantes, "brilla en entornos aislados y permite descentralizar la producción de productos químicos finos", según el profesor Noël. La minicentral se basa en el concepto de fotoquímica, utilizando la luz solar para "alimentar" directamente la síntesis química. Empleamos un fotocatalizador, una especie química que impulsa la síntesis cuando se ilumina", continúa Noël. Normalmente se utilizan potentes LEDs u otros equipos de iluminación, pero nosotros optamos por utilizar la luz solar. Para empezar, esto hace que la síntesis sea totalmente sostenible. Pero también permite el funcionamiento autónomo en lugares remotos. Nuestro sueño es ver nuestro sistema utilizado en una base en la Luna o en Marte, donde se necesitan sistemas autosuficientes para proporcionar energía, alimentos y medicinas. Nuestra minicentral podría contribuir a ello de forma totalmente autónoma e independiente".

Un reactor de flujo impulsado por energía solar

El desarrollo de la minicentral comenzó hace unos cinco años, cuando el grupo de investigación de Noël -que en aquel momento tenía su sede en la Universidad Tecnológica de Eindhoven- desarrolló un "concentrador solar". Se trata básicamente de una lámina de plástico transparente con canales de tamaño micrométrico en los que se realiza la síntesis química. Añadiendo tintes específicos, los investigadores convirtieron el plástico en una guía solar y un convertidor luminiscente. Capta la luz solar y la dirige hacia los canales, al tiempo que convierte una parte sustancial de la luz en fotones rojos que impulsan la conversión química.

El siguiente paso fue convertir el concentrador en un reactor de flujo plenamente operativo. Esto significa que bombeamos una mezcla de reacción de materiales de partida y fotocatalizadores a través de los canales iluminados por el sol", explica Noël. La conversión química deseada tiene lugar en estos canales, por lo que son, de hecho, nuestra alternativa a los frascos o recipientes tradicionales de síntesis química". Noël continúa explicando que, aunque los canales son bastante diminutos, un "reactor de flujo" de este tipo puede producir resultados bastante relevantes, ya que funciona desde la salida hasta la puesta del sol de forma continua. Además", añade, "el uso de los canales permite un acoplamiento mucho más eficaz entre la luz y la química que el que se consigue con los reactores de matraz tradicionales".

Máxima eficacia

El grupo de investigación de Noël ya había demostrado el concepto de reactor de flujo solar sintetizando una serie de moléculas de interés médico, aunque a escala de laboratorio en un entorno controlado. Ahora, en su reciente artículo en ChemSusChem, describen cómo han desarrollado un sistema de fotosíntesis autónomo, viable y óptimo, y lo han empleado en pruebas de campo. También ofrecen una perspectiva sobre aspectos como el potencial de aplicación y el rendimiento económico.

El prototipo de reactor de flujo solar ocupa una superficie de unos 0,25 metros cuadrados. Para hacerlo totalmente autónomo, los investigadores lo equiparon con una célula solar que proporciona la energía para los elementos auxiliares, como las bombas y el sistema de control. Esta célula solar está colocada detrás del reactor de flujo en una configuración apilada que garantiza la máxima eficacia por centímetro cuadrado, según Noël. Las longitudes de onda más energéticas se utilizan en el reactor para impulsar el fotocatalizador. El resto de los fotones con longitudes de onda de 600-1100 nm se convierten en electricidad para impulsar los auxiliares".

Potencial de aplicación en todo el mundo

El prototipo, totalmente autónomo, también emplea un sistema de control sensible que puede optimizar la conversión química a distintas intensidades de luz. Cuando una nube cubre el sol, la conversión química suele disminuir muy rápidamente", explica Noël. Nuestro sistema es capaz de realizar los ajustes necesarios en tiempo real". Las pruebas de campo confirman que es capaz de producir productos químicos a un ritmo constante incluso en días que combinan sol y nubes". Las pruebas se realizaron en los Países Bajos. Para hacerse una idea de las posibilidades de despliegue global, se hicieron comparaciones con datos solares en lugares de Noruega (Cabo Norte), España (Almería) y Australia (Townsville). Noël: "Incluso en el Cabo Norte, con relativamente poca energía solar, estimamos cifras de producción satisfactorias".

Los investigadores también compararon el rendimiento del sistema prototipo con las cifras de producción de la conocida síntesis fotoquímica del óxido de rosa. Este producto destinado a la industria de la perfumería se produce industrialmente por medios fotoquímicos porque es más limpio y eficaz que la síntesis química tradicional. Los investigadores calcularon que su sistema necesitaría una superficie sorprendentemente pequeña para satisfacer la demanda anual actual: sólo 150m2 serían suficientes. Noël: "¡Esto es sólo el tejado de una fábrica lleno de nuestras minicentrales! El coste del sistema sería similar al de los actuales sistemas comerciales de fotosíntesis. Pero sólo necesitamos energía solar, así que no hay gastos de energía. Así que esto podría ser realmente una estrategia sostenible para la producción futura de productos químicos como el óxido de rosa o productos farmacéuticos".

Hacer que las paredes produzcan productos químicos

Noël cree que la investigación de su grupo refuta cualquier escepticismo sobre el potencial de la tecnología química impulsada por la energía solar: "Demostramos que hay oportunidades para la producción química impulsada por la energía solar incluso aquí en los Países Bajos. No hace falta ir a Qatar". Además, el sistema se presta a ser aplicado en lugares inesperados. Incluso se podría cubrir la fachada de un edificio. Por supuesto, el rendimiento sería menor que cuando el sistema se coloca en un ángulo óptimo con respecto al sol. Pero es posible, y ¡qué bonito sería que las paredes fabricaran productos químicos!

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