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Científicos desarrollan miniplanta química autónoma totalmente impulsada por energía solar

Científicos de UvA desarrollan miniplanta química autónoma totalmente impulsada por energía solar
El mini-reactor de energía solar. Crédito: Grupo de Investigación Noël

por la Universidad de Amsterdam


El profesor Timothy Noël y sus compañeros de trabajo en el grupo de Química de Flujo del Instituto Van ‘t Hoff de Ciencias Moleculares de la Universidad de Ámsterdam han desarrollado un mini-reactor autónomo de energía solar totalmente operativo que ofrece el potencial para la producción de productos químicos finos en ubicaciones remotas en la Tierra, y posiblemente incluso en Marte. En un artículo publicado por ChemSusChem , el equipo presenta su sistema fotoquímico único y completamente fuera de la red.

El nuevo sistema, que es capaz de sintetizar fármacos y otros productos químicos en volúmenes económicamente relevantes, «brilla en entornos aislados y permite la descentralización de la producción de productos químicos finos», según el profesor Noël. «La miniplanta se basa en el concepto de fotoquímica, que utiliza la luz solar para ‘alimentar’ directamente la síntesis química. Empleamos un fotocatalizador, una especie químicaque impulsa la síntesis cuando se ilumina «, continúa Noël.» Normalmente se utilizan LED potentes u otros equipos de iluminación para la iluminación, pero nosotros optamos por utilizar la luz solar. Para empezar, esto hace que la síntesis sea totalmente sostenible. Pero también permite el funcionamiento autónomo en ubicaciones remotas. Nuestro sueño es ver nuestro sistema utilizado en una base en la Luna o en Marte, donde se necesitan sistemas autosuficientes para proporcionar energía, alimentos y medicinas. Nuestra miniplanta podría contribuir a ello de forma totalmente autónoma e independiente «.

Un reactor de flujo impulsado por energía solar

El desarrollo de la miniplanta comenzó hace unos cinco años cuando el grupo de investigación de Noël, en ese momento con sede en la Universidad Tecnológica de Eindhoven, desarrolló un » concentrador solar «. Se trata esencialmente de una lámina de plástico transparente con canales del tamaño de un micrómetro en los que tiene lugar la síntesis química. Al agregar tintes dedicados, los investigadores desarrollaron el plástico en una guía solar y un convertidor luminiscente. Captura la luz solar y la dirige hacia los canales, mientras convierte una parte sustancial de la luz en fotones rojos que impulsan la conversión química.

El siguiente paso fue convertir el concentrador en un reactor de flujo completamente operativo. «Esto significa que bombeamos una mezcla de reacción de materiales de partida y fotocatalizador a través de los canales iluminados por el sol», dice Noël. «La conversión química deseada tiene lugar en estos canales, por lo que son, de hecho, nuestra alternativa a los matraces o recipientes tradicionales de síntesis química». Noël continúa explicando que, aunque los canales son bastante pequeños, un «reactor de flujo» de este tipo puede producir resultados bastante relevantes, ya que opera desde el amanecer hasta el atardecer de manera continua. «Además», añade, «el uso de canales permite un acoplamiento mucho más eficaz entre la luz y la química de lo que es posible cuando se utilizan reactores de matraz tradicionales».

Científicos de UvA desarrollan miniplanta química autónoma totalmente impulsada por energía solar
El concentrador solar atrajo la atención mundial. Crédito: Bart van Overbeeke

Máxima eficiencia

El grupo de investigación de Noël ya había demostrado el concepto de reactor de flujo solar sintetizando una gama de moléculas de importancia médica, aunque a escala de laboratorio en un entorno controlado. Ahora, en su artículo reciente en ChemSusChem , describen cómo desarrollaron un sistema de fotosíntesis autónomo viable y óptimamente efectivo y lo emplearon en pruebas de campo. También proporcionan una perspectiva sobre aspectos como el potencial de aplicación y el rendimiento económico.

El prototipo de reactor de flujo solar ahora cubre un área de aproximadamente 0,25 metros cuadrados. Para hacerlo completamente autónomo, los investigadores lo equiparon con una celda solar que proporciona energía para auxiliares como bombas y el sistema de control. Esta célula solar se coloca detrás del reactor de flujo en una configuración apilada que asegura la máxima eficiencia por centímetro cuadrado, según Noël. «Las longitudes de onda más energéticas se utilizan en el reactor para impulsar el fotocatalizador. Los fotones restantes con longitudes de onda de 600-1100 nm se convierten en electricidad para impulsar los auxiliares».

Científicos de UvA desarrollan miniplanta química autónoma totalmente impulsada por energía solar
La miniplanta durante una prueba de campo. Crédito: Grupo de Investigación Noël

Potencial de aplicación mundial

El prototipo totalmente autónomo también emplea un sistema de control sensible que puede optimizar la conversión química a varias intensidades de luz. «Cuando una nube cubre el sol, la conversión química normalmente disminuiría muy rápidamente», dice Noël. «Nuestro sistema es capaz de realizar los ajustes necesarios en tiempo real. Las pruebas de campo confirmaron que es capaz de producir químicos a un ritmo constante incluso en días que son una mezcla de soleado y nublado». Las pruebas se llevaron a cabo en los Países Bajos. Para tener una idea de las posibilidades de implementación global, se realizaron comparaciones utilizando datos solares en ubicaciones en Noruega (Cabo Norte), España (Almería) y Australia (Townsville). Noël: «Incluso en el Cabo Norte, con relativamente poca energía solar, estimamos unas cifras de producción satisfactorias».

Los investigadores también compararon el rendimiento del sistema prototipo con las cifras de producción de la conocida síntesis fotoquímica de óxido de rosa. Este producto para la industria del perfume se produce industrialmente por medios fotoquímicos porque es más limpio y eficiente que la síntesis química tradicional . Los investigadores calcularon que se necesitaría una superficie sorprendentemente pequeña para que su sistema satisfaga la demanda anual actual: solo 150 m 2bastaría. Noël: «¡Eso es solo un techo de fábrica lleno de nuestras miniplantas! El costo del sistema sería similar al de los sistemas comerciales de fotosíntesis actuales. Pero solo necesitamos energía solar, por lo que no hay gastos de energía. Así que esta realmente podría ser una estrategia sostenible para el futuro producción de productos químicos como el óxido de rosas o productos farmacéuticos «.

Haz que las paredes produzcan químicos

Noël cree que la investigación de su grupo refuta cualquier escepticismo sobre el potencial de la tecnología química alimentada por energía solar: «Demostramos que existen oportunidades para la producción química impulsada por energía solar incluso aquí en los Países Bajos. ¡No tienes que ir a Qatar!» Además, el sistema se presta a la aplicación en ubicaciones inesperadas. «Incluso podría cubrir la fachada de un edificio. Por supuesto, la salida sería menor que cuando el sistema se coloca en un ángulo óptimo con el sol. Pero ciertamente es posible, y qué tan genial sería tener las paredes productos químicos! «



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