El hombre que inventó una hoja artificial

Daniel Nocera, profesor del Instituto Tecnológico de Massachusetts. / Dominick Reuter

Daniel Nocera ocupa en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) la cátedra de química que lleva el nombre de Henry Dreyfuss, un diseñador industrial estadounidense que se hizo célebre por crear, en la década de los 30 y los 40, decenas de objetos que se convirtieron en íconos de la cultura americana y moldearon la vida de millones de personas, desde teléfonos de mesa hasta aspiradoras y termostatos.

Nocera, a su manera, también intenta cambiar la vida de millones de personas. Sólo que su sueño personal tiene que ver con una revolución en la forma como se produce y distribuye la energía a nivel global. Él llama a esa revolución “energía personalizada”. Y para eso ha trabajado desde que se graduó en el Instituto Tecnológico de California a finales de los años 70; luego como investigador y profesor en la Universidad Estatal de Michigan, y desde hace varios años en el MIT. Lo que busca es que cada quien sea dueño de su propia energía.

El año pasado, Nocera sorprendió a sus colegas durante la conferencia de la American Chemical Society al anunciar que había logrado construir una “hoja artificial” que, imitando a las plantas, es capaz de atrapar la luz solar para romper las moléculas de agua y dar como resultado oxígeno e hidrógeno. La diferencia con las plantas es que ellas añaden a este proceso CO2 para producir celulosa y azúcares. De acuerdo a las cuentas de Nocera, un tercio del agua que contiene la piscina olímpica del MIT es suficiente para almacenar la energía que necesita el planeta cada segundo.

Con un discurso que no le hace mucha gracia a algunos de sus colegas, reclama que es hora de comenzar a abandonar definitivamente los combustibles fósiles y dirigir más esfuerzos a crear una fuente de energía renovable, limpia y barata, especialmente para los países en desarrollo. Uno de los editores de la revista Nature se refirió este año a su trabajo como “la economía del hidrógeno reimaginada” y dijo que la hoja artificial constituye “una respuesta al rompecabezas de la energía”.

Antes de explicar de qué se trata su “hoja artificial” y cómo funciona, Daniel Nocera suele lanzar algunas pocas cifras que dan cuenta del problema energético en el que estamos metidos. O vamos a estar muy pronto.

Hoy somos 7.000 millones de seres humanos, recuerda, y consumimos 14 terawatts (TW) de energía. En 2050 seremos 9.000 millones y la demanda energética podría llegar a los 30 TW. Hoy, la mayor parte de energía la extraemos de combustibles fósiles. Son baratos, abundantes, eficientes, fáciles de usar. Pero, pero, pero: contaminan y eventualmente se van a acabar.

En una gráfica que siempre proyecta durante las conferencias que ofrece alrededor del mundo están enumeradas las principales energías renovables, fuentes de energía relativamente limpia con la que deberíamos abastecernos. Un momento, advierte Nocera con su aspecto de rabino, con su voz nasal: No es tan cierto que la combinación de energía eólica, geotérmica, biomasa o aún la polémica nuclear sean la solución. Malas noticias para los que tenían las esperanzas puestas en las energías limpias o renovables.

Si usáramos todo el viento que corre por el planeta a 10 metros de la superficie terrestre, apenas lograríamos producir de 2 a 4 TW. Excluyendo la tierra dedicada a producir alimentos, el resto de tierra cultivable tan sólo permitiría producir 5 a 7 TW a partir de biomasa. En cuanto a energía hidroeléctrica el aporte a ese déficit global sólo sería de 4,6 TW y la energía de corrientes marinas sumaría otros 2 TW. La energía geotérmica es más generosa: podría aportar 12 TW. Aún insuficiente para completar los 30 TW que se necesitarán. Y aceptando los riesgos de la energía nuclear, el problema seguiría sin solución: tendríamos que construir una planta nuclear cada 1,5 días por toda la eternidad, porque cuando termináramos la tarea de edificar todas las necesarias, la primera construida ya sería obsoleta y habría que reemplazarla.

¿Qué alternativa queda? El sol, dice Nocera. La energía solar que alcanza a la Tierra durante una hora equivale a toda la energía que consumimos los humanos en un año. El problema, entonces, no es la fuente de energía, el problema hasta ahora ha sido nuestra ineficiencia para cosechar esa energía, pero sobre todo para almacenarla.

“La energía solar representa apenas el 0,1% del mercado, no sólo porque los materiales fotovoltaicos son costosos, sino porque no puedes hacer funcionar una sociedad sólo en las horas en que brilla el sol. La energía solar no logrará penetrar el mercado hasta que seamos capaces de almacenarla”, apunta Nocera.

Después de muchos años de trabajo dedicados a entender los mecanismos básicos que utilizan las plantas para cosechar la luz del sol y convertirla en su fuente de energía, y otros tantos rastreando catalizadores que ayuden a separar el agua en sus componentes, oxígeno e hidrógeno, un accidente ocurrió en el laboratorio de Nocera en 2008. Uno de sus estudiantes de posgrado, Matthew Kanan, estaba jugando con diversos materiales que podrían hacer el papel de catalizadores, cuando descubrió que al mezclar cobalto y fosfato en agua y aplicar electricidad se formaba una delgada película y casi al instante aparecían burbujas, señal del proceso de electrólisis (rompimiento de las moléculas de agua usando una corriente eléctrica).

Nocera bien sabía lo que aquello podría significar. A principios de la década de los 70, dos japoneses, Akira Fujishima y Kenichi Honda, demostraron que era posible separar el agua en sus componentes usando luz y un catalizador de titanio. Eran los primeros pasos hacia la fotosíntesis artificial. Una de las grandes barreras desde entonces ha sido encontrar un material abundante en la naturaleza que no resulte costoso y que a la vez sea resistente.

Eso parecía ser lo que tenían ante sus ojos Nocera y Kanan. Los catalizadores que hoy se encuentran en el mercado resultan exageradamente costosos (entre US$10.000 y US$50.000) porque utilizan platino cuyo precio por onza oscila entre US$1.700 y US$2.000. El precio del cobalto y el fosfato es menor de US$3 por onza.

Mike Huynh, Daniel Kwabena y Evan Jones, tres de los estudiantes que trabajan con Nocera, me dan un paseo por el laboratorio del Departamento de Química en MIT y me muestran el primer y el segundo prototipo de la hoja artificial. Es un invento “elegante”. Discreto. Casi parece broma que una delgada película como esa, que lleva integrada una celda solar, al colocarse dentro de un vaso de agua comience al instante a producir oxígeno por una de sus caras e hidrógeno por la otra. Es difícil creer que algo aparentemente tan sencillo sea la solución al desafío energético global. Que ese pedazo de metal pueda llegar a sustituir esas monstruosas represas hidroeléctricas, plantas nucleares, centrales térmicas y los miles de kilómetros de cables que tendimos sobre el planeta.

“Es sólo un prototipo”, aclara Kwabena. Es sólo una prueba de que es posible hacer realidad el sueño de Nocera. Aún hace falta un largo camino de creatividad e ingeniería para acoplar la hoja artificial a celdas de combustible o un motor de hidrógeno y sacar provecho de la energía almacenada en el gas. También encontrar el camino para producir a gran escala y que se pueda adaptar a los hogares.

“Ahora mismo, estamos recolectando la luz solar con un panel de silicio. Podría ser mucho más barato si logramos recolectarla con plástico y luego dirigir la luz hacia las orillas del plástico donde estarían instaladas las “hojas”, añade Nocera.

John Turner, quien creó en la década de los noventa un aparato que también simulaba la fotosíntesis pero no prosperó en el mercado por resultar costoso y porque se deterioraba rápido, está convencido de que el hidrógeno es, junto con la energía geotérmica, la posibilidad que tenemos si queremos construir para el planeta una estructura energética que dure al menos un milenio.

Para Turner, quien hace parte del U.S. National Renewable Energy Laboratory, que cuenta con un presupuesto de 120 millones de dólares para los próximos cinco años, lo que ha hecho Nocera “es un logro sobresaliente”, pero aún falta un largo camino por recorrer. La velocidad a la que ocurran estos cambios, cree, dependerá sobre todo de voluntad política.

Nocera entiende eso perfectamente. Por ahora dice que lo anima el respaldo que ha recibido de hombres como Ratan Tata, un multimillonario hindú que cree en las hojas artificiales como una solución de energía para países como el suyo.

El sistema de energías fósiles fracasó. “Yo quiero regresar a lo que funcionaba antes, desde hace 2.000 millones de años: a las plantas”, repite una y otra vez Nocera.