La fotosíntesis artificial es un campo de investigación que intenta imitar la fotosíntesis natural de las plantas, con el fin de convertir dióxido de carbono y agua en carbohidratos y en oxígeno, utilizando la luz solar.
El término fotosíntesis artificial se aplica a aquellos procesos que, inspirados en la fotosíntesis natural, buscan utilizar la energía solar para producir otros tipos de energía que puedan ser aprovechados por el hombre de manera limpia y eficiente, de forma que en un futuro se pueda producir una «planta artificial» que sea capaz de almacenar energía a partir de óxido carboxílico y aceite.
En la fotosíntesis natural intervienen docenas de enzimas que catalizan varias reacciones individuales, pero todo el proceso puede dividirse conceptualmente en dos fases principales que interactúan mediante moléculas transportadoras de energía: las reacciones luminosas, que dependen de la luz del Sol, y las reacciones oscuras, que pueden ocurrir en ausencia de luz. Estas reacciones tienen mucha importancia desde el punto de vista científico como desde el punto de vista económico, debido a la explotación de la energía solar, sin embargo el proceso es tan complejo que aún en un laboratorio es difícil de replicar.
Por esta razón, la fotosíntesis artificial es una tecnología atractiva que podría ayudar a evitar o revertir algunos de los efectos adversos producidos por el consumo de combustibles fósiles como el calentamiento global.
Las investigaciones sobre la fotosíntesis artificial se pueden dividir de acuerdo con la fase de la fotosíntesis natural que buscan replicar: la separación de moléculas de agua para obtener hidrógeno y oxígeno que ocurre en la fase luminosa y la fijación del dióxido de carbono que ocurre en la fase oscura.
La fase luminosa, ocurre en presencia de luz solar. Durante esta fase las plantas convierten la energía luminosa en forma de fotones o energía química en forma de dos moléculas transportadoras: ATP y NADPH.
La energía necesaria para estas reacciones es absorbida por moléculas de pigmento que junto con moléculas transportadoras de electrones forman complejos proteínicos muy especializados denominados fotosistemas, los cuales son alimentados con electrones provenientes de moléculas de agua que son descompuestas en moléculas de hidrógeno y oxígeno.
El proceso que permite obtener hidrógeno y oxígeno a partir de agua recibe el nombre de electrolisis del agua y consiste en aplicar una carga eléctrica con suficiente potencial sobre moléculas de agua para separar los átomos que las componen, ya que es una reacción que no sucede de manera espontánea.
Durante la fase oscura, las plantas ocupan la energía almacenada en moléculas de ATP y NADPH producidas durante las reacciones luminosas para sintetizar glucosa a partir de dióxido de carbono y agua, ya que las reacciones pueden ocurrir en ausencia de luz, siempre y cuando existan suficientes moléculas de ATP y NADPH disponibles.
El objetivo principal de las investigaciones referentes a la fase oscura consiste en poder generar una molécula que en presencia de luz solar sea capaz de reactivarse, y al igual que con la electrolisis, se pretende entender bien este proceso para poder diseñar catalizadores artificiales capaces de producir combustibles a partir de bióxido de carbono o alguno de sus derivados.
La importancia de la fotosíntesis artificial desde el punto de vista económico radica en que es una tecnología que podría reducir los costos de producción de electricidad mediante la energía solar de manera significativa, ya que tiene por objetivo producir electricidad no sólo de manera eficiente, sino también barata.
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