Investigación: hidrógeno, energía solar y un reporte de la Universidad de Michigan al iniciar el 2023

Inicia el 2023, y con el nuevo año los reportes científicos sobre energía asequible y no contaminante empiezan a ser divulgados. Las propuestas de la transición energética global avanzan.

La Universidad de Michigan da a conocer un reporte técnico sobre la generación de hidrógeno que indica es barato y sostenible a partir de energía solar, un estudio que dirige Zetian Mi, profesor de ingeniería eléctrica e informática de la propia universidad estadounidense, el cual es publicado completo y puntual en la revista Nature.

De acuerdo con lo publicado hoy miércoles 4 de enero, el nuevo tipo de panel solar ha logrado una eficiencia del nueve por ciento en la conversión de agua en hidrógeno y oxígeno, imitando un paso crucial en la fotosíntesis natural. Al aire libre, representa un gran salto en la tecnología, casi 10 veces más eficiente que los experimentos solares de división de agua de este tipo.

Uno de los avances en la producción de hidrógeno verde en este proceso tecnológico, indica el reporte es la reducción de costo del combustible sostenible: “Esto se logra al encoger el semiconductor, que suele ser la parte más costosa del dispositivo. El semiconductor autorreparable del equipo soporta una luz concentrada equivalente a 160 soles.”

A continuación, presentamos integro el reporte difundido hoy en el portal de la Universidad de Michigan sobre el proyecto que dirige el investigador, Zetian Mi.

En la actualidad, los seres humanos producen hidrógeno a partir del combustible fósil metano, utilizando una gran cantidad de energía fósil en el proceso. Sin embargo, las plantas cosechan átomos de hidrógeno del agua usando la luz solar. A medida que la humanidad trata de reducir sus emisiones de carbono, el hidrógeno es atractivo como combustible independiente y como componente de combustibles sostenibles fabricados con dióxido de carbono reciclado. Asimismo, es necesario para muchos procesos químicos, por ejemplo, para la producción de fertilizantes.

“Al final, creemos que los dispositivos de fotosíntesis artificial serán mucho más eficientes que la fotosíntesis natural, lo que proporcionará un camino hacia la neutralidad del carbono”, dijo Zetian Mi, profesor de ingeniería eléctrica e informática de la UM que dirigió el estudio publicado en Nature.

El resultado sobresaliente proviene de dos avances. El primero es la capacidad de concentrar la luz solar sin destruir el semiconductor que aprovecha la luz.

“Redujimos el tamaño del semiconductor en más de 100 veces en comparación con algunos semiconductores que solo funcionan con baja intensidad de luz”, dijo Peng Zhou, investigador de la UM en ingeniería eléctrica e informática y primer autor del estudio: “El hidrógeno producido por nuestra tecnología podría ser muy barato.”

Y el segundo está utilizando tanto la parte de mayor energía del espectro solar para dividir el agua como la parte inferior del espectro para proporcionar el calor que fomenta la reacción. La magia está habilitada por un catalizador semiconductor que se mejora con el uso, resistiendo la degradación que tales catalizadores suelen experimentar cuando aprovechan la luz solar para impulsar reacciones químicas.

Además de manejar altas intensidades de luz, puede prosperar en altas temperaturas que castigan a los semiconductores de computadora. Las temperaturas más altas aceleran el proceso de división del agua, y el calor adicional también fomenta que el hidrógeno y el oxígeno permanezcan separados en lugar de renovar sus enlaces y formar agua una vez más. Ambos ayudaron al equipo a recolectar más hidrógeno.

Para el experimento al aire libre, Zhou instaló una lente del tamaño de la ventana de una casa para enfocar la luz del sol en un panel experimental de solo unas pocas pulgadas de ancho. Dentro de ese panel, el catalizador semiconductor estaba cubierto por una capa de agua, burbujeando con los gases de hidrógeno y oxígeno que separaba.

El catalizador está hecho de nanoestructuras de nitruro de indio y galio, cultivadas sobre una superficie de silicio. Esa oblea semiconductora captura la luz, convirtiéndola en electrones libres y huecos, huecos cargados positivamente que quedan cuando la luz libera los electrones. Las nanoestructuras están salpicadas de bolas de metal a nanoescala, de 1/2000 de milímetro de ancho, que usan esos electrones y agujeros para ayudar a dirigir la reacción.

Una simple capa aislante en la parte superior del panel mantiene la temperatura a 75 grados centígrados, o 167 grados Fahrenheit, lo suficientemente cálida para ayudar a estimular la reacción y al mismo tiempo lo suficientemente fría para que el catalizador semiconductor funcione bien. La versión exterior del experimento, con luz solar y temperatura menos confiables, logró una eficiencia del 6,1% al convertir la energía del sol en combustible de hidrógeno. Sin embargo, en interiores, el sistema logró una eficiencia del 9%

Los próximos desafíos que el equipo pretende abordar son mejorar aún más la eficiencia y lograr hidrógeno de ultra alta pureza que pueda alimentarse directamente a las celdas de combustible.

Parte de la propiedad intelectual relacionada con este trabajo se ha otorgado bajo licencia a NS Nanotech Inc. y NX Fuels Inc., que fueron cofundadas por Mi. La Universidad de Michigan y Mi tienen un interés financiero en ambas empresas.

Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias, el Departamento de Defensa, el Centro de Innovación de Comercialización e Investigación Traslacional de Michigan, el Programa Blue Sky en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Michigan y por la Oficina de Investigación del Ejército.

El reporte en el portal de la Universidad de Michigan