la magia de los nanomateriales

La revolucionaria idea de un asturiano para convertir CO2 en combustible alternativo

El investigador asturiano Pelayo García de Arquer acaba de hallar una fórmula pionera para la transformación del dióxido de carbono y quiere ponerla en marcha

Foto: García de Arquer llegó a la Universidad de Toronto hace tres años para trabajar en soluciones de energía sostenible (Fuente: Pelayo García de Arquer)
García de Arquer llegó a la Universidad de Toronto hace tres años para trabajar en soluciones de energía sostenible (Fuente: Pelayo García de Arquer)

Las crecientes emisiones de dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera, que en 2017 alcanzaron su máximo histórico, son uno de los grandes problemas de nuestros tiempos. Según la Agencia Internacional de la Energía (AIE), se registraron 32,5 gigatoneladas de CO2, un 1,4 % más que el año anterior, lo que hace peligrar los objetivos del Acuerdo de París para frenar el calentamiento global. Este incremento equivale a 170 millones de automóviles adicionales y proviene en su mayoría del creciente aumento del consumo de petróleo, gas y carbón.

Ante esta preocupante situación, cada vez son más los expertos de empresas y grupos de investigación que proponen atajar el problema con ideas como, por ejemplo, transformar el CO2 en algo útil. Uno de ellos es el científico ovetense F. Pelayo García de Arquer, que ha llegado a la final del concurso internacional Carbon XPrize con su equipo CERT de la Universidad de Toronto. Compite con otros 9 grupos para buscar soluciones tecnológicas que consigan transformar el CO2 de centrales eléctricas e instalaciones industriales en productos valiosos como plásticos o combustibles alternativos.

“El reto al que nos enfrentamos es convertir nada menos que 2 toneladas de CO2 diarias durante dos meses, directamente a partir de las emisiones de una planta real”, explica a Teknautas este investigador de 33 años, quien también recuerda que la mayoría de sistemas de los mejores laboratorios del mundo trabajan hoy con prototipos de gramos por día. “Los objetivos de la competición son muy ambiciosos, como exigente es el problema que tratamos de resolver”.

Este concurso, que ha puesto sobre la mesa 20 millones de dólares (unos 17 millones de euros) para el ganador, está convocado por la Fundación XPrize, organización dirigida por el visionario Peter Diamandis y auspiciada en varios de sus proyectos por magnates como Larry Page o Bill Gates.

Además, este joven asturiano forma parte como posdoctorado del grupo de nanoingeniería del prestigioso profesor de la Universidad de Toronto Ted Sargent, con el que acaba de “alcanzar un hito en la conversión de CO2”, publicado el viernes 18 de mayo en la prestigiosa revista Science.

En esta reciente investigación demuestran por primera vez que la presencia de grupos de hidroxilos (formados por un átomo de oxígeno y otro de hidrógeno), “normalmente considerados parásitos en la conversión de CO2, puede reducir dramáticamente la energía necesaria para convertir CO2 en otros químicos”, explica García de Arquer. A la vez que diseñan un nanomaterial basado en cobre y capaz de convertir “a unos niveles de eficiencia que nunca se habían alcanzado hasta ahora” el CO2 en etileno, un gas precursor del plástico más común, el polietileno, y también muy valioso para la industria química que, por ejemplo, lo utiliza para madurar los frutos en conserva.

En este trabajo presentan un "nuevo tipo de electrodo que, incorporando teflón y grafito, es estable durante más de 150 horas"

No es el único avance importante de este estudio. “Afrontamos otro problema aún más acuciante: la estabilidad de esta conversión”, explica el asturiano. Así, en este trabajo presentan un “nuevo tipo de electrodo que, incorporando teflón y grafito, es estable durante más de 150 horas”, un tiempo nunca antes conseguido y que supone “un aumento de más de 15 veces con respecto a trabajos anteriores”.

Todo esto permite mejorar la productividad y la eficiencia de estos procesos y les acerca un poco más al gran objetivo de convertir 2 toneladas de CO2 al día.

Luchando por un premio de 20 millones

En septiembre de 2015, la Fundación XPrize convocó su concurso NRG COSIA Carbon XPrize para “inspirar a las mentes más brillantes del mundo para ayudar a resolver el cambio climático”. Entonces García de Arquer estaba recién llegado a la Universidad de Toronto, tras hacer su doctorado en el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Barcelona, y no imaginaba que pronto se embarcaría en uno de los mayores retos actuales del medioambiente. Inicialmente fueron seleccionados 38 grupos, luego quedaron 27 y en abril de este año se redujeron a los 10 finalistas entre los que está su equipo CERT.

Capitaneado por el propio Ted Sargent, su propuesta se basa en utilizar para la conversión electricidad “que puede venir, por ejemplo, de fuentes de energía renovables como la solar o la eólica o del exceso de producción de otras energías”. Con ello, el equipo de este científico quiere abordar dos problemas a la vez. Por un lado, el almacenamiento del excedente energético procedente de renovables. “En muchos sitios como en California o Alemania, por ejemplo, hay momentos del día en los que la electricidad tiene un coste negativo y las empresas productoras de electricidad llegan a pagar para que se consuma esa energía y de ese modo mantener el balance de sus redes”, explica. Y por otro, el alarmante problema de exceso de emisiones de CO2, “que nos acerca a un punto de no retorno en cuanto al calentamiento global se refiere”.

El ciclo energético en el que se basan las investigaciones de CERT (Fuente: Universidad de Toronto)
El ciclo energético en el que se basan las investigaciones de CERT (Fuente: Universidad de Toronto)

Para explicar su funcionamiento, García de Arquer lo asemeja al de “una celda de combustible pero a la inversa”. “Si en una celda de combustible se utiliza un combustible para generar electricidad, en este caso utilizamos electricidad y agua para generar nuevos productos a partir del CO2”, detalla.

Para conseguirlo, el trabajo de García de Arquer se centra en el diseño de nanomateriales que contribuyen a la transformación de la manera más eficiente y manteniendo un nivel alto de productividad. “Es un problema muy complicado ya que existen muchas reacciones químicas posibles en la transformación del CO2”, explica. “Como si un mapa de metro se tratara, hay varias ‘rutas’ interconectadas entre sí y el reto es el de favorecer, o catalizar, una en concreto con respecto a las demás, de modo que idealmente se pueda transformar todo el CO2 en un producto específico”, detalla.

García de Arquer, el cuarto por la derecha, con una camiseta negra, junto a su equipo CERT (Fuente: XPrize)
García de Arquer, el cuarto por la derecha, con una camiseta negra, junto a su equipo CERT (Fuente: XPrize)

Para llegar a la final, al igual que el resto de participantes, tuvieron que demostrar su método de conversión a pequeña escala y, durante 10 meses, superar los desafíos tecnológicos a los que les sometieron. Para su elección, los jueces tuvieron en cuenta no solo la cantidad de CO2 que cada equipo llegó a convertir, sino también su potencial económico o la huella global de CO2 de su proceso, así como la eficiencia energética, el uso de materiales, del suelo y del agua.

A partir de ahora, la competición se dividirá entre Canadá y Estados Unidos. Mientras que el equipo de García de Arquer y otros cuatro finalistas demostrarán sus conversiones en una central eléctrica de gas natural en Alberta, otros cinco harán lo propio en una planta de energía a carbón en Gillette, en el estado de Wyoming. En junio comenzarán a instalarse, pero no será hasta junio del próximo año cuando empiecen con sus operaciones para, finalmente, en marzo de 2020, conocer quiénes serán los ganadores.

“Gane quien gane la competición habremos ganado todos, ya que las tecnologías que se creen a lo largo del concurso serán muy importantes para transformar nuestro modelo energético actual hacia mejor”, sentencia.

Una solución más eficiente

“Hasta ahora casi todos los materiales y sistemas para la conversión del CO2 tenían una productividad muy baja y no eran rentables”, detalla el investigador. “Ha habido avances en la conversión electroquímica de CO2 en otros productos como CO, pero su transformación eficiente en productos más interesantes como puede ser el etileno estaba aún por demostrar”. Así que, para ampliar horizontes, el equipo de García de Arquer se puso a trabajar en la creación de un sistema que facilitará pasar el compuesto CO2 al etileno (C2 H4).

Entonces se dieron cuenta de la importancia crucial de la interfaz (la zona de comunicación) entre cada uno de los materiales involucrados en la conexión: el CO2, el catalizador (es decir, el material que favorece la transformación y que, en este caso, es el cobre) y el electrolito (una solución de agua y sales que se comporta como un conductor eléctrico). Así, como describen en la reciente publicación de Science, descubrieron que “solo creando una interfaz muy abrupta y fina, de unos 30 nanómetros”, se consigue maximizar la conversión de CO2 obteniendo unos niveles de etileno mucho más altos que en experimentos previos.

Una de las placas utilizadas para la conversión (Fuente: CERT)
Una de las placas utilizadas para la conversión (Fuente: CERT)

“Hasta ahora, los materiales que pueden llevar a cabo la conversión electroquímica de CO2 en hidrocarburos como el etileno no eran estables en absoluto”, añade el asturiano. Esto significa que los metales utilizados, como el cobre, en entornos muy alcalinos (con pH muy elevado, superior a 10, como se precisa para las transformaciones), se corroían muy fácilmente y su utilidad duraba apenas decenas de minutos: “aumentar la estabilidad es crucial para trabajar a mayores escalas”.

Diseñaron una nueva fórmula basada en nanomateriales para modificar las propiedades del catalizador. Para ello se sirvieron del teflón y el grafito. Así, colocaron el cobre (al que tienen que llegar para la reacción gas, agua y los electrones) sobre una membrana de teflón que facilita el paso del CO2 pero no el líquido. A continuación, lo taparon con una capa de grafito, un conductor que provee de electrones al cobre y, finalmente, consigue la conversión. Siguiendo esta estrategia, comprobaron que los materiales se mantienen estables durante cientos de horas, aunque todavía no es suficiente. “Para que esto pudiera llegar a ser viable deberíamos hablar de miles de horas de estabilidad”, señala García de Arquer.

Otro de los avances que han conseguido es realizar la conversión de CO2 a “corrientes mucho más altas” que en anteriores trabajos. “Ahora podemos llegar a corrientes de alrededor de más de 300 miliamperios por centímetro cuadrado”. Eso significa que pueden conseguir mucho más producto en menor tiempo, lo que supone un avance en rentabilidad económica. Algo que será clave de cara a alzarse con el premio en la competición de XPrize.

Miembros del equipo de García de Arquer ante una de las máquinas donde se realizan las conversiones (Fuente: CERT)
Miembros del equipo de García de Arquer ante una de las máquinas donde se realizan las conversiones (Fuente: CERT)

De ingeniero de telecomunicaciones a científico de materiales

Aunque brillante desde adolescente (consiguió, junto a otros siete alumnos, el Premio Extraordinario de Bachillerato de la Consejería de Educación y Ciencia del Principado de Asturias en 2003), una de las cuestiones que más sorprenden de este joven es su variopinto currículum académico. Él mismo lo confiesa: “Mi trayectoria es poco convencional”. Comenzó estudiando telecomunicaciones en la Universidad de Oviedo y ciencias matemáticas en la UNED. Luego, tras una experiencia investigadora en Bélgica durante un Erasmus, recibió una beca de la Fundación de la Caixa e hizo un máster de fotónica en la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) y, sin cambiar de región, pasó a hacer el doctorado en el Instituto de Ciencias Fotónicas (IFCO), centrado en el diseño de materiales para sensores y celdas solares más eficientes.

“El tema de la energía siempre me ha parecido algo que era muy importante resolver, así que poco a poco he ido dando pasos en esa dirección y es algo que me gusta”, nos cuenta. A esto se une su espíritu aventurero, gracias al cual, a lo largo de su carrera, siempre ha tendido a abandonar la zona de confort.

Ahora lo hace en la Universidad de Toronto, a más de 5.700 kilómetros de su casa en Oviedo. Allí llegó hace tres años con una beca para unirse al grupo de investigadores de Sargent y desarrollar soluciones energéticas inspiradas en la naturaleza. “Actualmente dirijo la parte del grupo centrada en fotovoltaica utilizando nuevos nanomateriales, mientras centro mi investigación en el ámbito de la conversión de CO2”, explica. Su próximo reto está en hacerlo lo mejor posible para el XPrize y, “aunque parezca un poco cliché, conseguir transformar el mundo en un lugar mejor”.

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