La separación de agua parte II: Las investigaciones en la Universidad de Michigan

Escrito en inglés por Jimmy Brancho, traducido al español por Jean Carlos Rodríguez-Díaz y editado por Isabel D. Colón-Bernal

Como dice el dicho: “No puedes almacenar energía solar sin romper unas cuantas moléculas de agua.”

O, por lo menos, es lo que muchos científicos tratan de lograr alrededor del mundo. Como se discutió en la primera parte, la separación de agua podría proveer energía sostenible en el futuro al almacenar la energía de los rayos del sol en una fuente de energía química como hidrógeno, la cual se pudiese usar cuando se necesite. Idealmente solo se necesitaría agua y luz solar produciendo como desecho oxígeno.  A pesar de este ideal, todavía falta mucho para que tengamos ese tipo de tecnología. Bart Bartlett, Charles McCrory y Neil Dasupta son algunos miembros de la facultad en la Universidad de Michigan que están trabajando para hacer realidad dispositivos que separen el agua. Cada uno trata de resolver el problema desde un ángulo distinto.

Un dispositivo que separe agua necesita hacer dos cosas básicas. Primero, debe tener un material que absorba la luz. Al atrapar esta luz, el dispositivo debe poder atrapar la energía solar de manera que se pueda almacenar en una molécula combustible. Segundo, el dispositivo debe poder llevar acabo la reacción de separación de agua, generando hidrógeno y oxígeno en forma gaseosa. El material o los materiales que lleven a cabo la separación del agua son llamados catalíticos. Ambas funciones deben ser buenas para que el dispositivo de separación de agua funcione.

Óxidos metálicos: Baratos pero prometedores

Bart Bartlett, profesor asociado de química y director asociado del Instituto de Energía de la Universidad de Michigan, tiene años de experiencia en investigaciones acerca de la separación del agua (Divulgación completa: es el asesor de doctorado del autor). Su grupo en química inorgánica estudia las diferentes aplicaciones de los óxidos metálicos, compuestos formados cuando los metales reaccionan con oxígeno. Muchos óxidos metálicos son tan baratos como la tierra, incluso algunos son tierra, y en muchos casos son muy abundantes, haciéndolos materiales atractivos para reacciones a grande escala. Inicialmente, Bartlett quería utilizar su conocimiento de química inorgánica para crear óxidos metálicos que absorbiesen bien la luz visible, la cual es la mayor parte del espectro de la luz solar.

Su grupo ha logrado tener algunos éxitos, pero sus dispositivos no han logrado funcionar tan bien como se anticipaban. “Yo creo que lo que aprendimos, y lo que aprendieron muchas otras personas es que la absorción de la luz no es el factor limitante,” dijo Bartlett. Sin embargo, es la parte catalítica del dispositivo, la parte que específicamente lleva a cabo el rearreglo de los enlaces químicos y separa el agua, la que todavía necesita mejorar.

Desde esa incursión inicial, el grupo de Bartlett ha expandido, siguiendo otras preguntas interesantes relacionadas a la fotocatálisis (catálisis mediada por luz) de la separación de agua. En vez de crear mejores absorbentes de luz, su grupo ahora crea electrodos de diferentes materiales con funciones distintas amontonados uno sobre el otro. Esto es con el propósito de encontrar un sistema que funcione mejor que la suma de sus partes. Su grupo ya ha tenido éxito cubriendo óxidos metálicos que son buenos absorbentes de luz con otros materiales a base de metales que hacen buenos catalíticos. Con este método se obtienen electrodos que duran más tiempo y desperdician menos energía en reacciones secundarias no deseadas, lo cual significa que están un paso más cerca a hacer un dispositivo comercial práctico.

Enfocándose en catalíticos duraderos

Charles McCrory, un profesor asistente de química utiliza electricidad para estudiar un rango grande de diferentes materiales catalíticos.  “Nosotros nos enfocamos en el lado catalítico de muchas reacciones” dice McCrory. “Por casualidad algunas de ellas son relacionadas a combustibles solares”.

McCrory vino a la Universidad de Michigan del Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial (JCAP por sus siglas en ingles), un centro de innovación del Departamento de Energía de los Estados Unidos dedicado al avance tecnológico del almacenaje de energía solar. En JCAP, McCrory utilizaba método de prueba estándar para nivelar el campo de juego para una variedad de catalizadores conocidos. “En general” explico McCrory “cuando alguien desarrolla un catalítico, les gusta reportarlo bajo las condiciones específicas que hacen que el catalítico luzca mejor.” Su trabajo era tomar esos catalíticos y ponerlos a prueba bajo condiciones idénticas para poder comparar cómo se desempeñan.

Él se percató que es fácil decir si un catalítico es activo o inactivo para una reacción en particular. La parte que es más difícil es determinar si un material es estable, si el material permanecería activo después de un periodo largo de uso y reúso.

La estabilidad es crítica ya que los dispositivos que necesitan reemplazarse menos frecuentemente tienden a ser más económicos a la larga.

McCrory ha desarrollado su grupo de investigación en Michigan rodeando esta idea de estabilidad. Ahora mismo, si la actividad de un catalítico particular no varía mucho sobre un tiempo de prueba arbitrario, el material es considerado estable. “Pero eso no se ha aplicado de manera sistémica,” dice McCrory. “No hay una manera sistémica para entender por qué ciertas cosas son estables y otras no.” Adicionalmente, los periodos de pruebas para estabilidad utilizados en la mayoría de los laboratorios exceden raramente las 100 horas, lo cual es mucho más corto que la vida ideal de un dispositivo. La meta de McCrory es desarrollar un entendimiento abarcador y predictivo de la estabilidad de los catalíticos. Esto es una parte crucial para el desarrollo de un dispositivo para la separación de agua que dure años.

Construyendo mejores procesos para la separación de agua a la escala del mercado

La investigación acerca la separación de agua no está limitada solamente al departamento de química. Neil Dasgupta es un profesor asistente en el departamento de ingeniería mecánica., “lo cual es un poco inusual para la separación de agua,” dice Dasgupta.

Muchos semiconductores, como el silicio, serian excelentes para la separación de agua si no se corroerían ni desintegrasen tan fácilmente con el uso. El grupo de Dasgupta está interesado en buscar maneras de tomar estos semiconductores inestables y protegerlos químicamente para que puedan ser utilizados en un dispositivo de separación de agua. Él estudia una técnica llamada deposición atómica de capas, la cual usa gases para poner una capa de un material, una capa atómica, a la vez. Su habilidad de hacer capas conformas a un grosor personalizado lo hace una técnica muy útil. “Es utilizada en […] procesamiento a escalas enormes por compañías como Intel y Applied Materials hoy en día,” dice Dasgupta. La deposición atómica de capas es un paso crucial en la manufactura de los procesadores de computadoras de Intel.

Como un ingeniero mecánico que ha estudiado química, física e ingeniería, Dasgupta quiere enfocarse en los aspectos más finos de materiales creados por la deposición atómica de capas. Él admite que hay muchos investigadores que han utilizado esta técnica para proteger materiales inestables y demostrar como aumentan su estabilidad. Sin embargo, él cree que todavía quedan muchas preguntas sin contestar acerca de cómo estas capas protectoras afectan otros detalles pertinentes al desempeño. Por ejemplo, como la electricidad se mueve por el dispositivo. “Creo que tenemos una gran oportunidad para contribuir como un grupo que estudia la ciencia de [la deposición atómica de capas], no solamente su uso como una herramienta,” dice Dasgupta. Aprendiendo más acerca de los detalles de cómo se comportan los materiales con capas protectoras mediante la deposición atómica de capas es una frontera en la investigación de la separación de agua que pudiese crear grandes avances para su comercialización.

Una gran parte para llevar esta tecnología a comercialización para Dasgupta, y la parte que juega directamente a su experiencia como ingeniero, es cómo salir de la producción a escala de un laboratorio. A escala de laboratorio, los científicos hacen muy poca cantidad de dispositivos o de sustancias para probar un concepto sin necesariamente considerar el costo de operación. “Puedes llevar la pequeña celda solar de un milímetro cuadrado en un vaso a un proceso rollo-a-rollo a grande escala vendido baratísimo en Wal-Mart?” pregunta Dasgupta. “Eso es un reto grandísimo. Ese es el salto que a menudo fallan muchas de las empresas nuevas.” Parte de estudiar la deposición atómica de capas es descubrir maneras de cómo adaptar la síntesis en el laboratorio a una escala mucho más grande para que algún día los dispositivos para la separación de agua se puedan producir en masa.

A pesar de las distintas maneras en que se almacena la energía solar a cómo se separa el agua, cada uno de los tres investigadores se unieron a este campo por una razón similar: para trabajar en un problema tecnológicamente relevante y urgente mientras avanzan nuestro conocimiento científico básico. Barlett dice, “Lo que estamos aprendiendo tiene impacto no solo a nuestro problema en particular en la formación de combustible, sino también, si lo piensas bien, las preguntas que estamos haciendo son fundamentales y no se limitan a combustibles.”

“Yo creo que eso es crítico en la ciencia,” añade. “Tienes que tener tu mirada en la meta, pero si solo te limitas a eso que solucionaría o no el problema, hay mucho más entremedio que se puede mejorar. Es esas cosas que están entremedio del conocimiento que tenemos hoy y nuestra meta que va a continuar a impulsar este campo [de almacenaje de energía solar] adelante.”

Lea la primera parte de esta serie de dos partes acerca de la separación de agua.

Acerca del autor

Jimmy es un estudiante de 5to año en el departamento de química de la Universidad de Michigan. Él está explorando nuevas reacciones químicas para llevar acabo la fotocatálisis para almacenar la energía solar. Jimmy proviene del suroeste de Pennsylvania y se graduó de la Universidad de Duquesne en Pittsburg en el 2011. En su tiempo libre, Jimmy pasa su tiempo en la pista de patinaje de hockey, jugando juegos de mesa y molestando a su gato. También, tiene un blog de química y de asuntos estudiantiles en Tree Town Chemistry.

Lee todos los artículos por Jimmy aquí.

NOTA:

Partes de este artículo fueron alteradas durante su traducción para actualizar las posiciones de los diferentes profesores mencionados.