Entrega 22 de febrero

Fotosíntesis artificial

¿Cuál es el panel solar perfecto? Tras reflexionar sobre ello llegué a la conclusión de que la respuesta a esa pregunta son las hojas de las plantas, ya que son capaces de transformar la luz del sol en su energía vital mediante el proceso de la FOTOSÍNTESIS. Si hacemos memoria de lo que aprendimos en el colegio, la fotosíntesis se define como la producción de glucosa a partir de dióxido de carbono, agua y energía solar. Sin embargo, esto no es más que una simplificación, ya que la fotosíntesis es un proceso complejo en el que se pueden diferenciar dos fases principales. En un primer paso se consigue la rotura de una molécula de agua gracias a la energía solar incidente, liberándose oxígeno, iones de hidrógeno y electrones. En un segundo paso, las plantas utilizan esos electrones liberados en la ruptura del agua para la reducción del dióxido de carbono a la glucosa.

Investigando un poco más a cerca de la fotosíntesis, descubrí que mucho antes que yo, Giacomo Ciamician, un químico italiano de principios del siglo XX ya se sintió atraído por este proceso tan esencial para la vida en nuestro planeta y pensó en la fotosíntesis como una fuente de energía, no sólo para plantas, algas y bacterias, sino también para el ser humano del futuro. Casi un siglo después del sueño de este científico visionario, la fotosíntesis artificial está más cerca que nunca de hacerse realidad.

El estudio de la fotosíntesis natural nos ha permitido saber que las plantas pueden llevar a cabo estos procesos gracias a unos catalizadores muy eficaces que han desarrollado en las membranas de los cloroplastos, unos orgánulos presentes en sus células. Estos catalizadores contienen unas moléculas de clorofila que permiten extraer de la luz solar, la energía suficiente para romper unas moléculas tan estables como las del agua. Una vez se ha roto las moléculas de agua, los iones de hidrogeno (protones) se acumulan en un lado de la membrana del cloroplasto, mientras los electrones lo hacen en el lado contrario. De esta forma se origina una diferencia de potencial que permite a las plantas realizar la reducción a glucosa del dióxido de carbono. Por tanto, si el ser humano quiere reproducir la fotosíntesis de forma artificial, no basta con un dispositivo capaz de absorber la energía solar para romper las moléculas de agua, sino que también es necesario poder separar las cargas (iónes de hidrogeno y electrones) liberadas en el primer proceso.

Inicios de la fotosíntesis artificial

Hacia 1970, la ciencia empezó a desarrollar unos catalizadores artificiales, sustituyendo la clorofila por otros compuestos químicos, obteniendo los primeros resultados en 1981. Sin embargo, su tamaño era mucho mayor que el de los cloroplastos naturales, su eficacia era muy pequeña y todavía no era capaz de separar los electrones y los iones resultantes.

En 1998 el desarrollo de la nanotecnología, permitió un avance significativo en el campo de la fotosíntesis artificial gracias a Tom Moore, profesor en la Universidad Estatal de Arizona. Allí desarrollaron un nuevo catalizador con unas membranas muy parecidas a las de los cloroplastos naturales, que además de romper las moléculas de agua, también eran capaces de separar las cargas de iónes de hidrógeno y los electrones liberados durante el proceso gracias a la incorporación de la enzima ATP-sintasa.

Los avances de Tom Moore consiguieron que la fotosíntesis artificial fuese percibida por la comunidad científica como una posibilidad energética mucho más factible que antes. Las investigaciones sobre esta materia empezaron a ser cada vez más comunes y fructíferas, teniendo como resultado la aparición de una serie de catalizadores capaces de llevar a cabo de forma artificial la ruptura del agua y la reducción del dióxido de carbono, siempre y cuando se aplicara de forma externa a los catalizadores una diferencia de potencial inicial, ya que los científicos todavía no habían sido capaces de obtener directamente del sol la energía necesaria para iniciar el proceso. Dejando esta parte fundamental “para más adelante”, los científicos fueron dirigiendo sus investigaciones sobre fotosíntesis artificial en dos direcciones: obtención de hidrógeno y de biocombustibles.

Obtención de hidrógeno a partir de la fotosíntesis artificial

Hasta entonces los catalizadores que se habían desarrollado requerían unos materiales y una tecnología demasiado costosos, pero en 2001 Daniel Nocera, profesor de química en el MIT, diseñó un nuevo catalizador más fácil y barato de fabricar a base de cobalto y fósforo, capaz de escindir el agua a temperatura ambiente. El nuevo catalizador marcó un cambio radical frente a las tentativas anteriores, ya que en vez de tener como objetivo la producción de corriente eléctrica, tan sólo realizaba la primera parte de la fotosíntesis, perfeccionando la obtención de iones de hidrogeno a partir de la molécula de agua.

El aprovechamiento del hidrógeno se basa en que este gas puede acumularse durante el día para ser utilizado por la noche como combustible limpio para generar electricidad. Hasta ahora la utilización del hidrógeno como combustible se ha reducido a algunos autobuses urbanos y coches híbridos porque tradicionalmente, la generación de este gas requería una gran cantidad de energía. Sin embargo, con los avances en este campo de Nocera y de otros equipos de investigadores más recientes como la universidad australiana de Monash, se abrió el camino a una futura comercialización más amplia y barata de esta forma de energía.

Obtención de biocombustibles a partir de la fotosíntesis artificial

Otra de las posibilidades de la fotosíntesis artificial es la producción de biocombustibles a partir de la glucosa obtenida del dióxido de carbono tomado de la atmósfera. Como este gas es uno de los principales responsables del calentamiento global, los beneficios de esta posibilidad serían dobles. Las investigaciones en esta dirección, fueron iniciadas hace no demasiados años por un grupo de científicos de la Universidad de Kyoto, liderados por Hideki Koyanaka, que desarrollaron un sistema que utiliza unas nanopartículas muy puras de dióxido de manganeso para la reducción del dióxido de carbono a la glucosa de una manera barata y eficaz. El reducido tamaño de estas partículas las hace mucho más efectivas que los catalizadores desarrollados con anterioridad y hace más rentable la posibilidad de obtener biocombustibles a partir de glucosa conseguida en la fotosíntesis artificial. A este grupo de Kyoto, le siguieron un grupo de investigadores chinos de Qinhuangdao, que sustituyeron las nanopartículas de dióxido de manganeso por nanotubos de carbono para recrear con más eficacia el sistema de electrones múltiples que en la fotosíntesis natural permite la reducción del dióxido de carbono.

Fotosíntesis artificial como alternativa energética real

Como ya he expresado con anterioridad, la aplicación de todos esos avances que nos permitían reproducir de forma artificial la ruptura del agua y la reducción a glucosa del dióxido de carbono, estaba condicionada a que alguna vez la ciencia fuera capaz de resolver el primer paso de la fotosíntesis; asimilar la energía solar con una eficiencia suficiente como para poder aplicar a los catalizadores una diferencia de potencial de forma continuada a lo largo del día. La ineficacia de los paneles solares fotovoltaicos, que tienen su máxima producción durante unas pocas horas al día y que cuando alcanzan una cierta temperatura su rendimiento baja de forma considerable, impedía asimilar la energía solar con una eficiencia suficiente como para poder realizar la fotosíntesis de forma artificial.

Mientras que los catalizadores seguían perfeccionándose, parecía que este primer paso de la fotosíntesis no iba a poder reproducirse artificialmente hasta que en 2007 un grupo de científicos de la Universidad de Massey (Nueva Zelanda), especializados en nanomateriales, desarrollaron unos tintes a base de clorofila y hemoglobina que utilizaron para oscurecer los vidrios de unas placas solares fotosintéticas. Este sistema presenta muchas ventajas frente a los sistemas fotovoltaicos, ya que son capaces de generar una corriente de energía bastante aceptable incluso con el cielo cubierto, tan solo con la luminosidad ambiente. Además, su fabricación sería mucho más económica y menos contaminante que la de los paneles fotovoltaicos, puesto que la refinación del silicio requiere grandes cantidades de energía.

Otro importante avance en la captación de la energía solar se ha producido en 2009 gracias a un equipo internacional de investigadores de las universidades de Würzburg (Alemania) y Leiden (Holanda), que han determinado la estructura molecular de la clorofila de unas algas y de una bacteria. Esto permitirá mejorar el rendimiento de estas placas fotosintéticas, puesto que la evolución ha permitido a estos organismos captar cantidades mínimas de luz en unas condiciones muy desfavorables, como ocurre en el fondo del mar.

*Este texto lo he escrito recopilando información de algunos artículos científicos publicados en Internet, por lo que puede tener imprecisiones. Si alguien detecta algún error que lo comente abajo. Gracias.

Reflexión personal y aplicación al proyecto

Esta pequeña investigación me ha llevado a considerar la fotosíntesis artificial como una fuente de energía renovable con posibilidades reales de implantación; a pesar de ser una gran desconocida para la mayoría de los mortales, incluido yo hace unas semanas. Ese desconocimiento general acerca de la fotosíntesis artificial tan sólo puede acentuar la fantasía de este proyecto, por lo que he decidido que los edelweiss de la duquesa crezcan gracias a esta tecnología. Esta alternativa energética, al consistir en la reproducción humana de una suma de procesos naturales, encaja muy bien con la artificialidad que implica traer el edelweiss a Castilla… y esto me hace reflexionar acerca de que este proyecto se ha convertido en un reto que de hacerse realidad, pocas cosas parecerían imposibles ante la unión de ciencia y arquitectura.

Invernadero en el Parque de El Capricho

El Parque de El Capricho es un jardín paisajístico de recreo construido desde finales del siglo XVIII hasta mediados del siglo XIX, por lo que en él se puede apreciar la evolución paisajística de cada época. En la parte más antigua de los jardines se distingue en el diseño de los jardines un gusto ilustrado, que va dejando paso al paisajismo romántico que predomina en casi todo el parque. Estos jardines se pueden entender como una suma de caprichos arquitectónicos y escenas pintorescas ideadas para el disfrute de los Duques de Osuna, los propietarios de la finca. Esos caprichos tienen un espíritu fantástico propio de la época Romántica, en la que todo lo exótico era muy valorado.

Ante el reto de construir un invernadero para criar edelweiss en El Capricho, primero experimenté miedo de estropear estos jardines construyendo en él un elemento ajeno a su época. Sin embargo, tras escuchar una conferencia en la que nos explicaron la historia del parque, me di cuenta que en realidad el parque que vemos hoy, por muy histórico que nos parezca, es en realidad el fruto de un intenso esfuerzo de recuperación de un diseño que se había perdido por largos años de abandono. A partir de ese momento me di cuenta que la actuación contemporánea en el Parque de El Capricho no puede limitarse a reconstruir las fantasías de tiempos pasados, sino que es necesario que la recuperación del parque capte su espíritu caprichoso, incorporando una fantasía tan sólo posible siglo XXI, pero atractiva en cualquier época.

Con el fin de crear una fantasía capaz de seducir a la duquesa tanto como el resto de caprichos del parque, he intentado pensar desde un punto de vista romántico, descubriendo que el proyecto debía apelar a los sentimientos, a las sensaciones en vez de a la racionalidad con la que he proyectado hasta ahora. El proyecto debe encajar con la mentalidad de una época que disfrutaba con lo misterioso, con las noches de tormenta y con las soluciones radicales. Por eso pensé en un invernadero que al ser visitado diera la sensación de que los Alpes están surgiendo del parque para traernos a Madrid el edelweiss, una flor cargada de simbolismo cuya fragilidad ha convertido casi en leyenda.

Para conseguir esa sensación he jugado con unas formas prismáticas a las que se llega después de recorrer unos senderos quebrados con unas pendientes reducidas, casi imperceptibles a la vista, pero que consiguen que el visitante sienta el recorrido hasta el edelweiss como algo complicado. Esta técnica, utilizada por Libeskind en el Museo Judío de Berlín, me parece apropiada para llegar al invernadero, ya que tradicionalmente encontrar los edelweiss en los Alpes se ha considerado como una hazaña. Los recorridos por estos senderos, siguen las líneas con una mayor luminosidad hasta llegar al invernadero, con una forma orgánica para que le permita destacar sobre su entorno prismático, de la misma forma que los edelweiss lo hacen en las rocas donde nacen.