Resulta curioso pensar que una pandemia y su consecuente confinamiento, como el que hemos vivido nosotros, le sirvió a Newton para poner sus ideas en orden y elaborar unas de las teorías más famosas y revolucionarias de la Historia. Aunque todos imaginamos al físico inglés dormitando bajo un árbol y a punto de ser golpeado por una manzana, lo cierto es que Newton también fue un gran estudioso de la luz. Sin ir más lejos fue el primero en descomponer la luz blanca, la visible, en los diferentes colores que la componen. Tan importante es la investigación de la Luz que tiene su propio día. Cada año, el 16 de mayo celebramos el Día Mundial de la Luz. Esta es, según sus organizadores “una iniciativa global que promoverá una celebración anual para incrementar el conocimiento que la sociedad tiene del papel crucial que la ciencia de la luz y las tecnologías de la luz representan en el mundo actual, en campos tan diversos como la medicina, las comunicaciones, la producción de energía, la agricultura, la biología, la astronomía, etc.”
Podríamos afirmar que el Día de la Luz es el día de los días, ya que este elemento mitad partícula, mitad onda, está presente en muchos aspectos de nuestra vida, desde la luz que nos llega del sol hasta la que circula por la fibra óptica llevando terabytes de información. Es directamente responsable de la vida en la Tierra, causante de vientos, generador de calor, canal de comunicación e instrumento de observación. Detrás de la capacidad de exprimir la luz está la oportunidad de acceder a fuentes de energía limpias e inagotables.
Nuestro protagonista de hoy ha hecho del estudio de la luz su objetivo. Desde que se licenció en Ciencias Físicas no ha dejado de escudriñar la luz en busca de nuevas propiedades. Jorge Méndez Ramos es profesor titular del Departamento de Física de la Universidad de La Laguna y lleva cerca de 20 años intentando sacarle todo el jugo posible a la Luz desde varios frentes diferentes.
¡Se fue la luz! Esta desafortunadamente habitual frase nos arrastra a menudo a la confusión, ya que solemos llamar luz a la corriente eléctrica. La hemos denominado por una de sus aplicaciones más populares, la luz eléctrica. Es como si llamáramos ducha al agua corriente. La luz es mucho más, como bien conoce Jorge Méndez. “Desde que acabé la carrera no he dejado de trabajar con la luz, primero estudiando el Erbio, un elemento químico englobado dentro de las Tierras Raras que es fundamental para la fibra óptica, después pasé a las placas solares, trabajando en aumentar su eficiencia utilizando estos mismos materiales. También hemos trabajado en materiales luminiscentes que emiten luz blanca, como la que utilizan las pantallas. Estas fuentes de luz blanca han derivado en dos patentes”.
¿Qué relación tienen una salina de Gran Canaria con la capacidad de obtener Hidrógeno? Estos dos escenarios, a priori muy distantes, se darán la mano al final de nuestra historia que nos llevará desde el Sol hasta la capacidad de obtener una fuente de energía ilimitada y limpia, pasando por las Tierras Raras. Todo, a través de la luz.
Las denominadas Tierras Raras y la luz tienen una historia común que se remonta varias décadas atrás. Estos elementos se han utilizado tradicionalmente en la iluminación y, aunque los denominamos “raros” son más cotidianos de lo que imaginamos, pues están presentes en los famosos tubos fluorescentes. El primer uso que se le dio a las Tierras Raras fue en los años 60 y 70. Una de sus primeras aplicaciones fueron los tubos fluorescentes, en principio se utilizaba el Europio o el Terbio, por eso los americanos vieron su potencial y comenzaron a sacar Tierras Raras en sus minas. De ahí se pasó a las telecomunicaciones. Aproximadamente en los años 90 se produjo el boom de la fibra óptica gracias a la televisión e internet. Desde ese momento hemos visto cómo China lideraba el mercado, ya que es el mayor productor de Tierras Raras del mundo, con mucha diferencia del segundo. “Ahora vivimos una carrera internacional en la investigación de estos elementos para la generación de energías renovables, tanto para mejorar la eficacia de las placas solares como para la generación de Hidrógeno Verde”.
El Hidrógeno Verde
Estamos en un momento de transición entre el uso del petróleo y las energías renovables. De la misma manera que no salimos de la Edad de Piedra por que se acabaran las piedras, no esperaremos a que se agote el petróleo para pasar a otro modelo energético. El cambio vendrá de la mano de la concienciación social, de un cambio en nuestras necesidades y gustos de consumo. Ahora vivimos un momento de enfoque hacia las energías renovables, unas fuentes de energía que no emiten CO2 pero que continúan teniendo un indiscutible impacto ambiental en modo de generación de residuos no reciclables, alta ocupación del suelo o de impacto visual. Las fuentes de energía alternativas como la fotovoltaica y la eólica son el camino, pero no la meta. El objetivo es conseguir una fuente de energía completamente limpia, inagotable y de fácil acceso, y el Hidrógeno Verde puede ser la solución.
“El gran problema de las energías renovables es el almacenamiento de una energía que es intermitente, como la del sol o el viento. Las baterías son limitadas y lo serán siempre, no podrán crecer indefinidamente. La solución está en almacenar la luz del sol en un combustible, eso es el Hidrógeno”. ¿Y para qué queremos Hidrógeno? ¿Cómo sacamos electricidad de ahí? La solución está en un proceso harto conocido por los químicos y que está en el origen de las pilas de combustible.
Las pilas de combustible combinan el Hidrógeno con el Oxígeno del aire para generar energía y agua como producto residual. De una manera más técnica podemos decir que los protones de Hidrógeno que utilizamos como combustible son atraídos hacia el oxígeno a través de una membrana, produciendo agua, y dejando atrás los electrones de Hidrógeno, creando como resultado una corriente eléctrica que se puede extraer para mover un motor eléctrico. El kit de la cuestión está en los ingredientes de la membrana que, como no podía ser de otra manera, está compuesta por Tierras Raras.
Pero se puede ir un poco más allá. La solución definitiva está mucho más cerca de lo creemos, nos rodea de una manera exuberante. Las plantas llevan millones de años convirtiendo la luz del sol en energía, directamente, sin pasos intermedios y de una manera muy eficiente. Ahora, investigadores como Jorge Méndez están intentando imitar la famosa fotosíntesis de las plantas para generar energía como ellas. “Nosotros ahora estamos trabajando con los materiales que emiten luz, las Tierras Raras, para mejorar la eficiencia de la generación de Hidrógeno verde. Pasa algo similar que con las placas solares. Las placas fotovoltaicas solo aprovechan la luz visible, la ultravioleta y la infrarroja no, por lo tanto, exprimen muy poco la luz que no llega del sol. Con el Hidrógeno verde sucede lo mismo, lo que haces es meter electricidad en el agua para sacar Hidrógeno, la descompones. Pero esa electricidad tiene que venir de algún lado. Lo ideal es que venga de la renovable, de la placa solar o del molino eólico, por ejemplo”. Pero no todo el consumo de Hidrógenos es sostenible, ahora se utiliza el Hidrógeno Gris, es el Hidrógeno que se extrae quemando carbón o petróleo. “Tu coche no contamina, pero si lo hace la central eléctrica, al final es lo mismo, solo que no lo vemos”.
Se puede ir un paso más allá. Obtener hidrógeno utilizando energías renovables es un gran paso y un considerable avance medioambiental, pero se puede llegar más lejos, solo tenemos que imitar a las plantas, es la fotosíntesis artificial. Ahora tenemos que usar una tecnología que transforma la energía solar o eólica en electricidad y otra que usa esa energía para obtener hidrógeno. Pero ¿y si pudiéramos obtener Hidrógeno exponiendo directamente el agua al Sol? Sin intermediarios tecnológicos, como hacen las plantas. En esto trabaja el grupo de investigación MAGEC, siglas de “Materiales para una Avanzada Generación de Energía en Canarias” pero que contienen un guiño obvio a la cultura aborigen, ya que MAGEC era el nombre que le daban los guanches al Sol.
“Lo ideal sería transformar la energía solar directamente en Hidrógeno, sin pasar por otras tecnologías intermedias, eso es lo que hacen las plantas. Las plantas no tienen placas solares ni molinos para generar energía que pasarle al cloroplasto. Las plantas fabrican Hidrógeno directamente del agua y el Sol. Quedan muchos problemas tecnológicos que resolver, mientras hay que seguir utilizando las energías renovables para obtener Hidrógeno Verde. Ahora estamos trabajando en esto que también se denomina fotocatálisis del agua o combustible solar”.
En realidad, el concepto es real, se puede obtener Hidrógeno directamente del agua utilizando la luz solar, esto es algo que realizó por primera vez en 1972. Pero no lancemos las campanas al vuelo, porque esta reacción solo se logró solo con luz Ultravioleta (UV), que es justamente la parte de la luz solar que con menor cantidad llega a la Tierra. Afortunadamente sólo un 4%, ya que si bien es malo para la generación de electricidad es fundamental para la preservación de la vida. La Capa de Ozono nos protege de esta radiación que, en dosis altas, es incompatible con la vida.
¿Qué podemos hacer entonces? Es impensable utilizar un sistema de generación de energía que solo aproveche el 4% de la luz del Sol, sería muy poco eficiente. Ahora se está trabajando en materiales que pasen el resto de la luz solar a UV. “Sabemos que el Óxido de Titanio es un fotocatalizador que funciona, los químicos están trabajando el optimizarlo, pero nosotros lo que hemos planteado es una nueva estrategia: si sabemos que ese fotocatalizador es el que mejor funciona, utilicémoslo. ¿Que solo reacciona con el UV? pues bien, convirtamos toda la luz del Sol en Ultravioleta. Llevamos varios años investigando y publicando sobre esto. Ahora estamos colaborando con el centro tecnológico IDONIAL de Asturias para diseñar prototipos con capas y vidrio luminiscentes, etc”.
Las salinas canarias pueden tener la clave
En el año 2009 el Gobierno de Estados Unidos encargó un estudio a un comité de expertos compuesto por científicos de sus universidades más prestigiosas para que propusieran maneras de obtener Hidrógeno del agua. Ese estudio tecnoeconómico contemplaba el diseño de “unas instalaciones costeras de piscinas de agua de mar poco profundas”. Incluso se adjuntaron unos bocetos con cuadrículas de piscinas de 10 centímetros de profundidad con agua de mar.
Al leer este informe Jorge Méndez pensó: “Eso es una salina canaria de toda la vida. Las salinas son piscinas de agua de mar que están en la costa, y además tienen unos 10 centímetros de profundidad, son fotorreactores naturales de agua mar, aunque hasta ahora sacamos solo sal”. La idea es saber qué pasa en las salinas cuando unimos el sol, el agua del mar y los barros que se utilizan, que no son de cualquier tierra. “Tenemos mucho que aprender de los salineros y llevar la salina al laboratorio para aprender de la naturaleza y la artesanía de nuestros abuelos”, asegura el investigador de la Universidad de La laguna, y director académico del congreso internacional SHIFT 2022.
Las salinas seguirán extrayendo sal de primera calidad, pero también pueden ser la clave de cómo se podría extraer Hidrógeno utilizando solo la energía del sol. Uno de los objetivos del proyecto es utilizar esta experiencia para aprovechar algunas de estas instalaciones costeras para implementar los elementos necesarios para obrar esa reacción maravillosa que imita a las hojas de las plantas.
Unidad de cultura científica y de la innovación (UCC+i) Cienci@ULL
