Resumen

La fotosíntesis es el proceso en el cual todas las plantas producen su propio alimento para nutrirse, crecer y desarrollarse. Esto para que generalmente se pueda desarrollar las plantas sin necesidad de un sistema biótico que lo sustente. Las partes de esta fase constan sobre todo con la elaboración de una alternativa y lo que se espera de esto es que se de energía de una manera ecológica. Este recurso se ha desarrollado de maneras artificiales en las cuales se tienen medios adecuados para las plantas que crecen en este. Todas las plantas generan oxígeno, consumen gases tóxicos, se reproducen y por eso es muy importante tener alternativas. Existen métodos que se crean a base de maneras artificiales, es decir, realiza el proceso de la fotosíntesis con un sustento hecho en un medio adecuado. Para que la planta este en un medio adecuado este necesita ser amable con el ambiente ya que toda la energía que sustente contaminantes a dichos compuestos además tiene que ser un texto externo y alejado de los componentes de la naturaleza. De este proyecto se obtiene una caja de madera con dimensiones para tener vida en ella, es por eso que en la realidad existen energías que usan sistemas como placas fotovoltáicas, placas de acrílico, entre otros materiales para que subsista un organismo. Este proyecto permitió que se generara el mismo proceso que la fotosíntesis natural y que este se pueda realizar con características económicas y que aporten un beneficio para el ambiente.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

La fotosíntesis es el proceso en el cual las ‘plantas producen su propio alimento para nutrirse,crecer y desarrollarse. Este recurso es indispensable ya que genera oxigeno,consumen gases tóxicos como el dióxido de carbono .hoy en día este proceso se limita por las condiciones ambientales así que no existe un medio en el que se pueda tener una planta en condiciones artificiales y que desarrolle la fotosíntesis.

Los contaminantes conocidos como fototoxicos son el dióxido de azufre , el nitrato peroxiacetilo y el etileno.Los contaminantes gaseosos  penetran en la planta por el estoma y esto es la razón por la cual se interrumpe la fotosíntesis.

Antecedentes

La fotosíntesis es el proceso de elaboración de los alimentos por parte de las plantas. Los árboles y las plantas usan la fotosíntesis para alimentarse, crecer y desarrollarse.

Para realizar la fotosíntesis, las plantas necesitan de la clorofila, que es una sustancia de color verde que tienen en las hojas. Es la encargada de absorber la luz adecuada para realizar este proceso. A su vez, la clorofila es responsable del característico color verde de las plantas.

El proceso completo de la alimentación de las plantas consiste básicamente en:

a- Absorción: Las raíces de las plantas crecen hacia donde hay agua. Las raíces absorben el agua y los minerales de la tierra.

b- Circulación: Con el agua y los minerales absorbidos por las raíces hasta las hojas a través del tallo.

c- Fotosíntesis: Se realiza en las hojas, que se orientan hacia la luz. La clorofila de las hojas atrapa la luz del Sol. A partir de la luz del Sol y el dióxido de carbono, se transforma la savia bruta en savia elaborada, que constituye el alimento de la planta. Además la planta produce oxígeno que es expulsado por las hojas.

d- Respiración: Las plantas , al igual que los animales, tomando oxígeno y expulsando dióxido de carbono. El proceso se produce sobre todo en las hojas y el los tallos verdes. La respiración la hacen tanto de día como por la noche, en la que, ante la falta de luz, las plantas realizan solamente la función de respiración.

La importancia de la fotosíntesis

La fotosíntesis hace que las plantas generen oxígeno, que es el elemento que respiran todos los seres vivos. Además, las plantas consumen gases tóxicos, como el dióxido de carbono.

Se distingue a los Seres Vivos como todos aquellos organismos que tienen la capacidad de poder realizar intercambios de Materia y Energía con el medio o entorno que les rodea, en lo que es conocido como su Ciclo de Vida, donde tiene vital importancia la Alimentación como la forma de poder incorporar nutrientes y sustancias que permiten el desarrollo del organismo, como también la Relación tanto con el medio o entorno que los rodea como los individuos y por último la Reproducción que permite la permanencia de la especie o linaje.

En lo que respecta a la Alimentación, existen por un lado las Especies Vegetales como aquellas que tienen la capacidad de poder elaborar su propio alimento (es decir, las especies de Alimentación Autótrofa) lo cual es efectuado gracias a un proceso que se llama Fotosíntesis, mediante el cual se obtienen productos derivaos del Almidón que es la principal fuente energética tanto de estas especies como del resto de las que habitan nuestro mundo.

Para poder lograr ello las plantas desarrollan sus Raíces con las que absorben del suelo donde se asientan las proteínas y nutrientes que necesitan, sumado a la Absorción de Agua que también interviene en las reacciones químicas que ocurren por influencia de la Radiación Solar, dándose como resultado un producto que permite el desarrollo, reparación y formación de sus tejidos vitales.

Este proceso está siendo desarrollado en la investigación y el desarrollo de lo que es conocido como Fotosíntesis Artificial, mediante la cual se aprovecharía justamente la Luz Solar para poder transformar el Dióxido de Carbono (que inclusive, hasta es tóxico para nuestro organismo como también para el Medio Ambiente) en lo que es aprovechable como Oxígeno e Hidratos de Carbono, que forman parte de los Tejidos Orgánicos además de ser la base de nuestra alimentación y Obtención de Energía.

Su desarrollo todavía impide su aplicación en forma práctica, pero tiene vital importancia aplicable en distintos campos, no solo en lo que respecta a la Ingenería en Alimentos sino fundamentalmente en su rol para la obtención de una Energía Renovable y sostenible que permite transformar algo desechable como el Dióxido de Carbono en un bien aprovechado en distintos campos de la vida cotidiana.

El secreto de una energía limpia, barata e inagotable podría encontrarse en las plantas. Científicos de todo el mundo están tratando de reproducir en laboratorio el proceso de la fotosíntesis. Si lo consiguen, podría servir para generalizar un sistema energético ecológico basado en el hidrógeno y la energía solar, capaz incluso de combatir los efectos del calentamiento global al reducir el dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera.

La fotosíntesis es un proceso esencial para la vida en la Tierra, ya que permite a plantas, algas y algunas bacterias utilizar la luz solar para transformar el agua en oxígeno e hidrógeno. Este último elemento reacciona con el CO2 y ayuda a sintetizar carbohidratos, que sirven a dichos organismos para almacenar energía.

Si cambiamos planta por, por ejemplo, coche de hidrógeno, el sistema podría servir para generar energía de forma ecológica y barata. Diversos equipos de investigación internacionales trabajan para hacerlo realidad, y en este sentido, las noticias con avances en el campo de la fotosíntesis artificial son cada vez más numerosas.

Recientemente, un grupo de científicos internacionales coordinados desde la Universidad australiana de Monash ha utilizado manganeso para extraer el hidrógeno y el oxígeno del agua utilizando energía solar y electricidad con una potencia de 1,2 voltios. El sistema, que se detalla en la revista científica alemana Angewandte Chemie, cuenta con una capa de Nafion un conductor de protones para formar una membrana ultradelgada que agrupa las partículas de manganeso. Al pasar agua por la membrana y exponerla a la luz se oxida, creando protones y electrones, lo que se utiliza para extraer hidrógeno.

Las noticias con avances en el campo de la fotosíntesis artificial son cada vez más numerosas

En el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), el químico Daniel Nocera ha creado un catalizador de cobalto y fósforo que escinde el agua a temperatura ambiente. Nocera asegura que su descubrimiento, publicado en la revista Science, supondrá un mayor desarrollo de la tecnología solar fotovoltaica. Además de tener un coste muy bajo, afirma, permitirá aprovechar el exceso de energía solar durante la noche para, por ejemplo, recargar en los hogares células de combustible para suministrar energía a electrodomésticos o a un coche eléctrico.

En este sentido, el desarrollo de nuevos materiales y catalizadores que permitan la fotosíntesis artificial centra el trabajo de varios equipos. Por ejemplo, en Alemania, científicos del Centro de Investigación Jülich han sintetizado un complejo de óxido de metal inorgánico estable que posibilita una rápida y efectiva oxidación del agua. Y en el Instituto Max Planck, un equipo dirigido por Markus Antonietti ha activado con éxito CO2 para usarlo en una reacción química usando nitrito de carbono grafítico, un nuevo tipo de catalizador libre de metal.

En otra vía de investigación, un equipo de la Universidad de California en Berkeley, dirigido por el físico químico Graham Fleming trabaja para descubrir cómo las plantas transfieren la energía a través de una red de pigmento-proteína con casi un cien por cien de eficiencia. En un reciente artículo del Biophysical Journal explican que, tras rastrear el flujo de energía mediante una técnica basada en el láser, han logrado por primera vez conectar dicho flujo a funciones de transferencia energética, lo que en su opinión constituye una línea de investigación muy prometedora.

Por su parte, los químicos James Muckerman y Dmitry Polyansky, del Laboratorio Nacional Brookhaven, perteneciente al Departamento de Energía de EE.UU., prueban un catalizador de rutenio que permita también esa conversión del agua.

Soluciones nanotecnológicas Imagen: NASA La nanotecnología podría ser crucial para hacer posible la fotosíntesis artificial. Así lo cree un equipo de investigadores de la Universidad Hebei Normal de Ciencia y Tecnología en Qinhuangdao, China, que afirma haber solucionado un paso clave que se resistía hasta ahora en dicho objetivo. Gracias a una estructura de nanotubos de carbono, los científicos chinos han recreado el sistema de electrones múltiple, que en la fotosíntesis natural posibilita la energía para reacciones como la síntesis de los carbohidratos. Según sus responsables, el sistema, publicado en la revista ChemPhysChem ha sido desarrollado en principio para aumentar la eficiencia del proceso de transformación de la energía solar en electricidad, aunque creen que podría ser la clave para la fotosíntesis artificial En la Universidad de Kyoto, un grupo de ingenieros dirigido por Hideki Koyanaka ha creado un material a partir de una técnica que permite producir nanopartículas muy puras de dióxido de manganeso. Sus responsables afirman que permitirá la producción de sistemas baratos y eficaces para sintetizar azúcares y etanol a partir de la luz y del CO2, disminuyendo de paso la cantidad de emisiones de este gas a la atmósfera. Por el momento, los investigadores nipones planean comercializarlo en pequeños dispositivos para reducir el CO2 de coches o fábricas.

Resumen de la Fotosíntesis Artificial

A modo de resumen, la fotosíntesis artificial es un proceso que quiere reproducir la fotosíntesis natural donde a partir de dióxido de carbono y agua se pueden obtener moléculas, productos orgánicos, que pueden tener un uso como combustibles (por ejemplo metano, metanol, ácido fórmico…) u obtener otras moléculas que sirvan para generar en un segundo proceso otros productos, por ejemplo gas de síntesis (una mezcla de moléculas de monóxido de carbono y moléculas de hidrógeno) base de partida para muchos procesos químicos. A los combustibles generados de esta forma se les denomina Combustibles Solares (Solar Fuels en el idioma de Shakespeare).

La tecnología aprovecha la propiedad especial de ciertos materiales, entre los que se encuentran los semiconductores,por la que son capaces de transformar la energía lumínica en energía química. Es decir transformar los fotones de la luz (solar o artificial) en moléculas como las anteriormente mencionadas que almacenan la energía en su estructura.

Cuando un fotón incide en la superficie del semiconductor da lugar a un movimiento en el que un electrón de la superficie que se encuentra en un estado de energía bajo pasa a un estado de energía alto dejando un hueco en donde estaba, la formación de estos pares electrón – hueco son los responsables de que se den las reacciones de conversión del CO2. Cuando la molécula de CO2 interacciona con la superficie iluminada del semiconductor toma un electrón o electrones para dar lugar a una molécula o moléculas más complejas, a este proceso lo llamamos reducción de la molécula de CO2. A este tipo de proceso se le denomina también reacción fotoquímica.

A la vez el hueco que queda en ese estado de energía menor al haberse movido el electrón también puede dar lugar a reacciones fotoquímicas, en este lugar se puede dar la reacción de conversión de la molécula de agua en oxígeno (a este proceso se le denomina oxidación y en él se generan no solo moléculas de oxígeno también electrones).

Mediante este proceso sencillo pero a la vez complicado de realizar somos capaces de reproducir la ecuación básica de la fotosíntesis natural, por la que CO2 se transforma en moléculas más complejas y el agua da lugar a oxígeno

Esta tecnología, la fotosíntesis artificial, que nació en el siglo XX pero que esperamos que sea una realidad en el siglo XXI todavía tiene un camino que recorrer de investigación y desarrollo, sobre todo en relación a encontrar los materiales adecuados, semiconductores u otros, para que se den estas reacciones fotoquímicas. Estos materiales son caros de producir hoy y se necesita superficie para instalarlos a modo de placas solares como las que se utilizan para generar electricidad; pero al igual que esta tecnología de generación de electricidad ha disminuido sus costes de forma exponencial en los últimos años se espera que también lo haga la tecnología de fotosíntesis artificial.

También se está investigando la tecnología de fotosíntesis artificial para la producción de hidrógeno mediante ladescomposición de agua (water splitting), uno de los combustibles del futuro.

La energía del Sol es gratis pero para que esta tecnología sea viable los materiales deben de ser económicos y tener un alto rendimiento en la conversión algo que se podrá producir si se recorre ese proceso de investigación y desarrollo. Su utilidad esta fuera de duda al dar valor a una energía de la que disponemos en todos los países y hoy por hoy está siendo poco utilizada.

Antes de explicar que es la fotosíntesis artificial en detalle, bien vale conocer cuál es el proceso natural por el que las plantas superiores, algas y algunas bacterias crecen, la Fotosíntesis.

Una hoja artificial hecha de silicio, níquel y cobalto e inspirada en una planta china (Anemone vitifolia) que produce energía cuando recibe la luz solar. Ese fue el original invento que, en 2011, presentó Daniel Nocera, reputado investigador del MIT (Massachusetts Institute of Technology), y que levantó gran expectación en la comunidad científica. Pero el proyecto no cuajó, y el prototipo del que se hacía eco la prestigiosa revista Science se ha quedado en nada. Pese a sus esfuerzos, Nocera no consiguió copiar a las plantas la receta secreta para desarrollar una tecnología comercialmente viable y eficiente que produzca energía almacenable a partir de rayos de sol, agua y una bocanada de dióxido de carbono.

Es imposible recrear con todo detalle las sofisticadas estructuras fotosintéticas naturales»

Y es que en lo que a eficiencia energética se refiere, la naturaleza nos lleva una gran ventaja. Después de todo, ha tenido miles de millones de años para perfeccionar el proceso que le permite capturar la luz y almacenarla como una energía química útil a través de la fotosíntesis. «Cuando intentamos copiar estos procesos en el laboratorio usamos sistemas mucho más escuetos que contienen solo las partes esenciales del proceso, porque es imposible recrear con todo detalle las sofisticadas estructuras fotosintéticas naturales», admite Lisa M. Utschig, bioquímica del Laboratorio Nacional Argonne. Y sabe bien de lo que habla. Lleva más de dos décadas estudiando el proceso y asegura que, en los intentos de copiar la fotosíntesis en el laboratorio, «es posible que estemos omitiendo algo que emplea la naturaleza para que el proceso sea eficiente».

«A veces no sabemos qué piezas son esenciales para copiar la fotosíntesis hasta que las probamos, lo que hace que los experimentos sean más desafiantes, pero también que estemos ante un divertido misterio que resolver», añade. Con esta actitud detectivesca, Utschig no para de buscar pistas, y sus últimas pesquisas apuntan a que la clave puede estar en los intercambios moleculares.

Para entender a qué se enfrentan los investigadores hay que tener en cuenta que la principal diferencia entre la fotosíntesis natural y la artificial es que mientras las plantas, algas y bacterias captan la luz solar y la almacenan en forma de azúcares que consumen las células, en el laboratorio la energía se almacena en moléculas de hidrógeno. «Esto es importante porque el hidrógeno es un combustible limpio, que cuando se quema solo genera agua, y puede ser almacenado», aclara Utshig.

En su último experimento, Utschig y sus colegas han combinado tres elementos: una proteína extraída de las espinacas, un fotosintetizador que absorbe la luz y un catalizador que produce una molécula de hidrógeno. Cuando el sistema se ilumina, el fotosintetizador emite dos electrones que, después de atravesar la proteína, llegan al catalizador, que es el que genera hidrógeno. Lo que el equipo de Utschig ha hecho es observar con técnicas espectroscopía óptica y de resonancia paramagnética este movimiento de los electrones de un modo que no se había observado antes. Una vez que no lo analicen sabrán dónde se pierde eficiencia y podrán perfeccionar el proceso para lograr que la fotosíntesis artificial sea una realidad.

122 millones de dólares invertidos en el Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) y ocho equipos de investigadores dedicados en exclusiva a desarrollar la fotosíntesis artificial dan la idea de que Estados Unidos apuesta de lleno por este futuro energético. Uno de esos equipos está liderado por el físico y matemático John Gregorie, cuya misión es que el conocimiento científico sobre la fotosíntesis se convierta en «innovación real». «Capturar la luz eficientemente, llevar a cabo reacciones catalíticas para obtener hidrógeno y separar el combustible para su extracción sencilla son tres procesos desafiantes que están más que conseguidos por separado en el laboratorio», asegura Gregorie.

Y aunque todos necesitan mejoras, a su entender «el mayor reto actual de los ingenieros consiste en combinar los tres en un solo dispositivo que cumpla el doble requisito de eficiencia y durabilidad». En el JCAP tienen ya un prototipo que, según sus propias palabras, «produce hidrógeno con una eficiencia que excede a la de la fotosíntesis natural». El reto de Gregorie y su equipo ahora es «establecer métodos que permitan testar nuevos materiales y nuevos conceptos rápidamente en los dispositivos, para acelerar el ciclo de desarrollo tecnológico de varios años a solo unos meses».

EE UU ha invertido 122 millones de dólares y ocho equipos de investigadores a desarrollar la fotosíntesis artificial

Parece que el final del camino empieza a vislumbrarse. Lograr la fotosíntesis artificial revolucionaría el campo de las energías renovables porque ofrece «la capacidad única de generar todo el combustible líquido que necesitamos sin carbono», reflexiona Gregorie. Pero sustituir los combustibles fósiles por luz de sol implica mucho más que reducir la emisión de gases a la atmósfera, con el consiguiente beneficio para el clima. «La luz solar no es geopolítica y es gratis para todos», afirma con esperanza Utschig. Gregorie coincide en este enfoque, pero a la vez advierte que hay que ponerse a trabajar de inmediato en una estrategia de desarrollo conjunta entre científicos, ingenieros y políticos. «Desarrollar una infraestructura revolucionaria para esta nueva forma de energía no es cuestión de años sino de décadas, y exigirá además una evolución en políticas energéticas».

Un problema de la fotosíntesis artificial es que debe imitar el efecto fotosintético con un rendimiento mayor y para ello se busca una antena que capte de manera efectiva los fotones de luz.

El primer paso de la fotosíntesis es precisamente esa captura y luego viene el transporte de esa energía y su conversión en energía química.

Un equipo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers encontró una solución para la construcción de la antena: combinar hebras de ADN con moléculas de tinte. El sistema se asemeja al natural. El ADN actúa como plataforma para crear un sistema que permita recolectar la luz. En las plantas, esta plataforma consiste en un elevado número de proteínas que organizan las moléculas de clorofila para que capten la luz del Sol. Es un sistema muy complejo y casi imposible de replicar de manera artificial, porque todo se pierde si las uniones se rompen.

Sin embargo, utilizando ADN se puede conseguir un sistema autoconstruido que tenga suficiente precisión y además se repare a sí mismo.

Ventajas

La fotosíntesis artificial presenta ciertas ventajas con respecto de los paneles fotovoltaicos. La diferencia principal es que mientras la conversión directa de la luz solar en electricidad a través de paneles no permite su almacenamiento a gran escala, la fotosíntesis artificial puede producir combustible almacenable.

La fotosíntesis artificial tiene potencial para producir más de un tipo de combustible. El proceso fotosintético puede ajustarse para que las reacciones entre la luz, el dióxido de carbono y el agua produzcan hidrógeno líquido y usarlo como combustible de forma directa, pero también podría ser canalizado hacia una célula de hidrógeno, revertir la electrólisis y generar electricidad para el uso doméstico.

Uno de los problemas con el hidrogeno es encontrarlo en estado liquido en la naturaleza, pero con la fotosíntesis artificial este problema desaparece, ya que se consigue de forma natural gracias al agua y la luz solar que almacena este sistema.

El metanol es otro subproducto de la fotosíntesis natural que podría generarse también a través de la artificial: en lugar de emitir hidrógeno puro en el proceso, la célula fotoelectroquímica podría emitir este gas, que normalmente se obtiene a partir del metano del gas natural, y utilizarse como combustible.

Ecología

La capacidad de producir combustibles limpios sin generar subproductos nocivos, como por ejemplo Gases de Efecto Invernadero, hace de la fotosíntesis artificial una fuente de energía ideal para el medio ambiente. No requiere de extracciones ni perforaciones (como la minería), sus materias primeras no desaparecerán y es potencialmente menos costosa que las otras formas de energía.

Además, al utilizar CO₂ como fuente de alimentación la reacción de la fotosíntesis artificial podría disminuir la cantidad de dióxido de carbono que se encuentra en nuestro aire, devolviendo oxígeno puro y deshaciendo el camino de la contaminación.

México

En nuestro país, el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) lanzó en 2012 un programa de fotosíntesis artificial. El proyecto es una iniciativa nacional que agrupa a científicos del Instituto Politécnico Nacional, la Universidad Autónoma de Nuevo León, el Centro de Investigación y Estudios Avanzados, el Centro de Investigación en Materiales Avanzados y la Universidad Autónoma Metropolitana, que desarrollan diversas líneas de investigación que amplían el enfoque de la iniciativa.
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 para ello la luz del Sol. 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.

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 tanto desde el punto de vista científico como desde el punto de vista económico, dada su potencial aplicación en la explotación de la energía solar, sin embargo el proceso es tan complejo que aún en un laboratorio es difícil de replicar.

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 en forma de compuestos orgánicos a partir de óxido carboxílico y aceite. Esto hace que la fotosíntesis artificial sea una tecnología atractiva no sólo desde el punto de vista práctico y económico, sino también desde el punto de vista ecológico, ya que potencialmente podría ayudar a mitigar o revertir algunos de los efectos adversos producidos por el consumo de combustibles fósiles como el calentamiento global.

Las investigaciones en cuanto a fotosíntesis artificial se pueden dividir de acuerdo con la fase de la fotosíntesis natural que buscan replicar: la separación de moléculas de aguapara obtener hidrógeno y oxígeno que ocurre en la fase luminosa, y la fijación del dióxido de carbono que ocurre en la fase oscura

Hace unos días, la empresa tecnológica Panasonic dio a conocer algunos avances en las investigaciones que han estado llevando a cabo, relacionadas con el diseño de un dispositivo capaz de emular la fotosíntesis a partir de una serie de reacciones. Panasonic no es el primera que lleva a cabo este tipo de experimentos, pero es quien logró la mayor eficiencia hasta el momento.

Si bien los procesos llevados a cabo por las máquinas y los seres vivos no son exactamente iguales, la idea general es que ambos tienen la capacidad de tomar dióxido de carbono, agua y energía lumínica y transformarlos en oxígeno y algún carbohidrato.

La importancia de este logro, radica en que, en un futuro, se podrá utilizar el dióxido de carbono que es eliminado a la atmósfera por la actividad humana, y se le dará utilidad, gracias a la intervención de agua y luz solar

Por ahora, la eficiencia lograda para esta reacción es de 0,2% (igual a la conseguida por las plantas), pero los avances tecnológicos relacionados con el uso de nitruros como semiconductores, sugieren a los científicos e ingenieros que no falta mucho para que se pueda utilizar esta nueva forma de evitar el exceso de dióxido de carbono en la atmósfera.

Por un lado, un semiconductor (es decir, un material con una conductividad entre la de un conductor y la de un aislante, cuya conducta puede ser manipulada) expuesto a la luz, produce un flujo de electrones que resulta en laoxidación del agua dando oxígeno, hidrógeno y electrones que se utilizarán en la siguiente reacción.

Lograr la oxidación del agua representa una gran hazaña, ya que esta molécula es muy estable. El semiconductor que se utilizó en este caso fue de un nitruro, que ya ha demostrado en otros dispositivos ser muy eficiente y tener la capacidad de ahorrar energía.

Luego de la oxidación del agua, los electrones liberados por esta reacción son utilizados para la reducción del dióxido de carbono.Gracias a este semiconductor se pudieron excitar a los electrones con suficiente energía como para que el dióxido de carbono se reduzca. Esta reacción de reducción ocurre en un catalizador metálico en el lado opuesto el semiconductor de nitruro; y dará lugar a la formación de ácido fórmico (HCOOH). El ácido fórmico es usado para la producción organicias, en industria textil y en tinturas, entre otras aplicaciones.

Objetivo

Desarrollar de manera artificial el proceso de la fotosíntesis.

Justificación

Existen mecanismos autótrofos, que aprovechan la luz como la planta que extraen estos contaminantes por medio de procesos bioquímicos y los concierten en materia orgánica y oxígeno.

Se ha comprobado la existencia de la fotosíntesis desde hace miles de años y se han encontrado métodos en los cuales se produce de manera artificial.

Probaremos un método en la que la fotosíntesis pueda ser desarrollada  utilizando láminas de plástico, paneles solares, placas de madera, tierra, para producir un medio artificial.

Hipótesis

Si logramos tener bajo condiciones artificiales adecuadas a una planta entonces podrá desarrollar el proceso de la fotosíntesis.

Método (materiales y procedimiento)

Lista de materiales

1 Placa de la acrílico de 30 x 50.

Tablas de diferentes tamaños.

Tornillos.

Procedimiento

1.- Para el ensamblaje de la caja:

a) Tomar como base la tabla de madera de 30 x 50 cm para colocar las otras tablas creando paredes en la tabla base.

b) Con ayuda de la tabla base, colocar cada tabla sobrante con sus respectivos lados.                                                                         2. Colocar el sellador de madera en toda su superficie.               3. Pintar el exterior de la caja con un color de su preferencia. (Opcional).                                                                                         4.- Pintar el interior de la caja con un color de su preferencia. (opcional)                                                                                           5.- Colocar por encima de la tabla de 50 x 10 cm la placa de plástico gruesa transparente para tener una vista del interior.   6.- Instalar el foco LED en la parte posterior de la caja.               7.- Revisar que se encuentre en una posición adecuada para dar luz al todo el espacio de la caja.                                             8.- Conectar el foco de LED al panel solar para luego darle energía.                                                                                               9.- Colocar el panel al exterior de la caja.                                  10.-Hacer un agujero de máximo 1 centímetro de diámetro a las cuatro esquinas de la caja.                                                      11.- Agujerar la placa de aluminio (tapa de la caja) en las cuatro esquinas y que concuerden con las cuatro esquinas ya agujeradas de la caja.

Galería Método

Resultados

Obtuvimos una caja de madera de 20 centímetros por 30 centímetros por 50 centímetros  con una capacidad para 4 kilos de tierra fértil , con espacio para plantas y cultivos pequeños con una tapa de acrílico de  30 centímetros por 50 centímetros ademas de un panel solar que brinda energía a 60 focos Led.

Galería Resultados

Discusión

La fotosíntesis artificial en otros medios genera un crecimiento del 1.3% de la planta por día ,por lo que es una opción viable que nuestra caja haya presentado resultados favorables y similares a los de la investigación previa.

La tierra en otro ambiente es fértil dependiendo de la atmósfera y condiciones a las que este expuesta y así la caja que realiza la fotosíntesis artificial , genera vida al cabo de 4 días de funcionamiento con el pasto.

Conclusiones

La fotosíntesis artificial  genera el mismo proceso que la natural aunque a diferencia de esta , la fotosíntesis artificial es un medio sustentable para tener una alternativa y que se pueda realizar de una manera mas sencilla.

Al utilizar un medio adecuado como la caja se logro recrear el proceso con la seguridad de que esta funcionara.

Nuestra  metodología consistió en que este proceso se pudiera realizar con materiales de calidad económicos y que aporten  un beneficio para el ambiente.

Bibliografía

Consultado en:

Fotosíntesis artificial. (2013)  Sitio web: http://www.elorigendelhombre.com/fotosintesis%20artificial.html

Importancia de la fotosíntesis. (2012) Sitio web: http://www.importancia.org/fotosintesis-artificial.php

Ciencias. (2013) Sitio web: http://elpais.com/elpais/2015/10/19/ciencia/1445246229_278009.htm

¿Qué es la fotosíntesis? (2013). Sitio web: http://www.guioteca.com/educacion-para-ninos/%C2%BFque-es-la-fotosintesis-sencilla-explicacion-para-entender-este-proceso/

Summary

The photosynthesis is the process in which all plants produce their own food to feed, grow and develop. This generally to plants can develop without a biotic system to support it. The parts of this phase consist especially with the development of an alternative and what is expected for this is that energy in an ecological way. This resource has been developed in artificial ways in which they have adequate means for plants growing on this. All plants generate oxygen, consume toxic gases, reproduce and therefore it is very important to have alternatives. There are methods that are created based artificial ways, that is, performs the process of photosynthesis with support made in a suitable medium. For the this plant in a suitable medium that needs to be kind to the environment and all the energy that sustains pollutants such compounds also has to be an outside and away from the components of nature text. This project a wooden box with dimensions obtained to have life in it, that is why there are energy using systems such as photovoltaic panels, acrylic plates, among other materials to an organism subsisting in reality. This project allowed the same process that generated natural photosynthesis and that this can be done with economic characteristics and to provide a benefit to the environment.

Research Question

Problem approach

Photosynthesis is the process in which the plants produce their own food to feed, grow and develop. This resource is essential because it generates oxygen, consume toxic gases such as carbon dioxide .Today this process is limited by environmental conditions so there is no way  in which you can have a plant in artificial conditions and to develop the photosynthesis.

The  pollutants  known as fototoxicos are sulfur dioxide, the peroxiacetil nitrateand gaseous ethylene.. gaseous pollutants penetrate the plant by the stoma and this is the reason why it has interrupted the photosynthesis.

Background

La fotosíntesis es el proceso de elaboración de los alimentos por parte de las plantas. Los árboles y las plantas usan la fotosíntesis para alimentarse, crecer y desarrollarse.

Para realizar la fotosíntesis, las plantas necesitan de la clorofila, que es una sustancia de color verde que tienen en las hojas. Es la encargada de absorber la luz adecuada para realizar este proceso. A su vez, la clorofila es responsable del característico color verde de las plantas.

El proceso completo de la alimentación de las plantas consiste básicamente en:

a- Absorción: Las raíces de las plantas crecen hacia donde hay agua. Las raíces absorben el agua y los minerales de la tierra.

b- Circulación: Con el agua y los minerales absorbidos por las raíces hasta las hojas a través del tallo.

c- Fotosíntesis: Se realiza en las hojas, que se orientan hacia la luz. La clorofila de las hojas atrapa la luz del Sol. A partir de la luz del Sol y el dióxido de carbono, se transforma la savia bruta en savia elaborada, que constituye el alimento de la planta. Además la planta produce oxígeno que es expulsado por las hojas.

d- Respiración: Las plantas , al igual que los animales, tomando oxígeno y expulsando dióxido de carbono. El proceso se produce sobre todo en las hojas y el los tallos verdes. La respiración la hacen tanto de día como por la noche, en la que, ante la falta de luz, las plantas realizan solamente la función de respiración.

La importancia de la fotosíntesis

La fotosíntesis hace que las plantas generen oxígeno, que es el elemento que respiran todos los seres vivos. Además, las plantas consumen gases tóxicos, como el dióxido de carbono.

Se distingue a los Seres Vivos como todos aquellos organismos que tienen la capacidad de poder realizar intercambios de Materia y Energía con el medio o entorno que les rodea, en lo que es conocido como su Ciclo de Vida, donde tiene vital importancia la Alimentación como la forma de poder incorporar nutrientes y sustancias que permiten el desarrollo del organismo, como también la Relación tanto con el medio o entorno que los rodea como los individuos y por último la Reproducción que permite la permanencia de la especie o linaje.

En lo que respecta a la Alimentación, existen por un lado las Especies Vegetales como aquellas que tienen la capacidad de poder elaborar su propio alimento (es decir, las especies de Alimentación Autótrofa) lo cual es efectuado gracias a un proceso que se llama Fotosíntesis, mediante el cual se obtienen productos derivaos del Almidón que es la principal fuente energética tanto de estas especies como del resto de las que habitan nuestro mundo.

Para poder lograr ello las plantas desarrollan sus Raíces con las que absorben del suelo donde se asientan las proteínas y nutrientes que necesitan, sumado a la Absorción de Agua que también interviene en las reacciones químicas que ocurren por influencia de la Radiación Solar, dándose como resultado un producto que permite el desarrollo, reparación y formación de sus tejidos vitales.

Este proceso está siendo desarrollado en la investigación y el desarrollo de lo que es conocido como Fotosíntesis Artificial, mediante la cual se aprovecharía justamente la Luz Solar para poder transformar el Dióxido de Carbono (que inclusive, hasta es tóxico para nuestro organismo como también para el Medio Ambiente) en lo que es aprovechable como Oxígeno e Hidratos de Carbono, que forman parte de los Tejidos Orgánicos además de ser la base de nuestra alimentación y Obtención de Energía.

Su desarrollo todavía impide su aplicación en forma práctica, pero tiene vital importancia aplicable en distintos campos, no solo en lo que respecta a la Ingenería en Alimentos sino fundamentalmente en su rol para la obtención de una Energía Renovable y sostenible que permite transformar algo desechable como el Dióxido de Carbono en un bien aprovechado en distintos campos de la vida cotidiana.

El secreto de una energía limpia, barata e inagotable podría encontrarse en las plantas. Científicos de todo el mundo están tratando de reproducir en laboratorio el proceso de la fotosíntesis. Si lo consiguen, podría servir para generalizar un sistema energético ecológico basado en el hidrógeno y la energía solar, capaz incluso de combatir los efectos del calentamiento global al reducir el dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera.

La fotosíntesis es un proceso esencial para la vida en la Tierra, ya que permite a plantas, algas y algunas bacterias utilizar la luz solar para transformar el agua en oxígeno e hidrógeno. Este último elemento reacciona con el CO2 y ayuda a sintetizar carbohidratos, que sirven a dichos organismos para almacenar energía.

Si cambiamos planta por, por ejemplo, coche de hidrógeno, el sistema podría servir para generar energía de forma ecológica y barata. Diversos equipos de investigación internacionales trabajan para hacerlo realidad, y en este sentido, las noticias con avances en el campo de la fotosíntesis artificial son cada vez más numerosas.

Recientemente, un grupo de científicos internacionales coordinados desde la Universidad australiana de Monash ha utilizado manganeso para extraer el hidrógeno y el oxígeno del agua utilizando energía solar y electricidad con una potencia de 1,2 voltios. El sistema, que se detalla en la revista científica alemana Angewandte Chemie, cuenta con una capa de Nafion un conductor de protones para formar una membrana ultradelgada que agrupa las partículas de manganeso. Al pasar agua por la membrana y exponerla a la luz se oxida, creando protones y electrones, lo que se utiliza para extraer hidrógeno.

Las noticias con avances en el campo de la fotosíntesis artificial son cada vez más numerosas

En el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), el químico Daniel Nocera ha creado un catalizador de cobalto y fósforo que escinde el agua a temperatura ambiente. Nocera asegura que su descubrimiento, publicado en la revista Science, supondrá un mayor desarrollo de la tecnología solar fotovoltaica. Además de tener un coste muy bajo, afirma, permitirá aprovechar el exceso de energía solar durante la noche para, por ejemplo, recargar en los hogares células de combustible para suministrar energía a electrodomésticos o a un coche eléctrico.

En este sentido, el desarrollo de nuevos materiales y catalizadores que permitan la fotosíntesis artificial centra el trabajo de varios equipos. Por ejemplo, en Alemania, científicos del Centro de Investigación Jülich han sintetizado un complejo de óxido de metal inorgánico estable que posibilita una rápida y efectiva oxidación del agua. Y en el Instituto Max Planck, un equipo dirigido por Markus Antonietti ha activado con éxito CO2 para usarlo en una reacción química usando nitrito de carbono grafítico, un nuevo tipo de catalizador libre de metal.

En otra vía de investigación, un equipo de la Universidad de California en Berkeley, dirigido por el físico químico Graham Fleming trabaja para descubrir cómo las plantas transfieren la energía a través de una red de pigmento-proteína con casi un cien por cien de eficiencia. En un reciente artículo del Biophysical Journal explican que, tras rastrear el flujo de energía mediante una técnica basada en el láser, han logrado por primera vez conectar dicho flujo a funciones de transferencia energética, lo que en su opinión constituye una línea de investigación muy prometedora.

Por su parte, los químicos James Muckerman y Dmitry Polyansky, del Laboratorio Nacional Brookhaven, perteneciente al Departamento de Energía de EE.UU., prueban un catalizador de rutenio que permita también esa conversión del agua.

Soluciones nanotecnológicas Imagen: NASA La nanotecnología podría ser crucial para hacer posible la fotosíntesis artificial. Así lo cree un equipo de investigadores de la Universidad Hebei Normal de Ciencia y Tecnología en Qinhuangdao, China, que afirma haber solucionado un paso clave que se resistía hasta ahora en dicho objetivo. Gracias a una estructura de nanotubos de carbono, los científicos chinos han recreado el sistema de electrones múltiple, que en la fotosíntesis natural posibilita la energía para reacciones como la síntesis de los carbohidratos. Según sus responsables, el sistema, publicado en la revista ChemPhysChem ha sido desarrollado en principio para aumentar la eficiencia del proceso de transformación de la energía solar en electricidad, aunque creen que podría ser la clave para la fotosíntesis artificial En la Universidad de Kyoto, un grupo de ingenieros dirigido por Hideki Koyanaka ha creado un material a partir de una técnica que permite producir nanopartículas muy puras de dióxido de manganeso. Sus responsables afirman que permitirá la producción de sistemas baratos y eficaces para sintetizar azúcares y etanol a partir de la luz y del CO2, disminuyendo de paso la cantidad de emisiones de este gas a la atmósfera. Por el momento, los investigadores nipones planean comercializarlo en pequeños dispositivos para reducir el CO2 de coches o fábricas.

Resumen de la Fotosíntesis Artificial

A modo de resumen, la fotosíntesis artificial es un proceso que quiere reproducir la fotosíntesis natural donde a partir de dióxido de carbono y agua se pueden obtener moléculas, productos orgánicos, que pueden tener un uso como combustibles (por ejemplo metano, metanol, ácido fórmico…) u obtener otras moléculas que sirvan para generar en un segundo proceso otros productos, por ejemplo gas de síntesis (una mezcla de moléculas de monóxido de carbono y moléculas de hidrógeno) base de partida para muchos procesos químicos. A los combustibles generados de esta forma se les denomina Combustibles Solares (Solar Fuels en el idioma de Shakespeare).

La tecnología aprovecha la propiedad especial de ciertos materiales, entre los que se encuentran los semiconductores,por la que son capaces de transformar la energía lumínica en energía química. Es decir transformar los fotones de la luz (solar o artificial) en moléculas como las anteriormente mencionadas que almacenan la energía en su estructura.

Cuando un fotón incide en la superficie del semiconductor da lugar a un movimiento en el que un electrón de la superficie que se encuentra en un estado de energía bajo pasa a un estado de energía alto dejando un hueco en donde estaba, la formación de estos pares electrón – hueco son los responsables de que se den las reacciones de conversión del CO2. Cuando la molécula de CO2 interacciona con la superficie iluminada del semiconductor toma un electrón o electrones para dar lugar a una molécula o moléculas más complejas, a este proceso lo llamamos reducción de la molécula de CO2. A este tipo de proceso se le denomina también reacción fotoquímica.

A la vez el hueco que queda en ese estado de energía menor al haberse movido el electrón también puede dar lugar a reacciones fotoquímicas, en este lugar se puede dar la reacción de conversión de la molécula de agua en oxígeno (a este proceso se le denomina oxidación y en él se generan no solo moléculas de oxígeno también electrones).

Mediante este proceso sencillo pero a la vez complicado de realizar somos capaces de reproducir la ecuación básica de la fotosíntesis natural, por la que CO2 se transforma en moléculas más complejas y el agua da lugar a oxígeno

Esta tecnología, la fotosíntesis artificial, que nació en el siglo XX pero que esperamos que sea una realidad en el siglo XXI todavía tiene un camino que recorrer de investigación y desarrollo, sobre todo en relación a encontrar los materiales adecuados, semiconductores u otros, para que se den estas reacciones fotoquímicas. Estos materiales son caros de producir hoy y se necesita superficie para instalarlos a modo de placas solares como las que se utilizan para generar electricidad; pero al igual que esta tecnología de generación de electricidad ha disminuido sus costes de forma exponencial en los últimos años se espera que también lo haga la tecnología de fotosíntesis artificial.

También se está investigando la tecnología de fotosíntesis artificial para la producción de hidrógeno mediante ladescomposición de agua (water splitting), uno de los combustibles del futuro.

La energía del Sol es gratis pero para que esta tecnología sea viable los materiales deben de ser económicos y tener un alto rendimiento en la conversión algo que se podrá producir si se recorre ese proceso de investigación y desarrollo. Su utilidad esta fuera de duda al dar valor a una energía de la que disponemos en todos los países y hoy por hoy está siendo poco utilizada.

Antes de explicar que es la fotosíntesis artificial en detalle, bien vale conocer cuál es el proceso natural por el que las plantas superiores, algas y algunas bacterias crecen, la Fotosíntesis.

Una hoja artificial hecha de silicio, níquel y cobalto e inspirada en una planta china (Anemone vitifolia) que produce energía cuando recibe la luz solar. Ese fue el original invento que, en 2011, presentó Daniel Nocera, reputado investigador del MIT (Massachusetts Institute of Technology), y que levantó gran expectación en la comunidad científica. Pero el proyecto no cuajó, y el prototipo del que se hacía eco la prestigiosa revista Science se ha quedado en nada. Pese a sus esfuerzos, Nocera no consiguió copiar a las plantas la receta secreta para desarrollar una tecnología comercialmente viable y eficiente que produzca energía almacenable a partir de rayos de sol, agua y una bocanada de dióxido de carbono.

Es imposible recrear con todo detalle las sofisticadas estructuras fotosintéticas naturales»

Y es que en lo que a eficiencia energética se refiere, la naturaleza nos lleva una gran ventaja. Después de todo, ha tenido miles de millones de años para perfeccionar el proceso que le permite capturar la luz y almacenarla como una energía química útil a través de la fotosíntesis. «Cuando intentamos copiar estos procesos en el laboratorio usamos sistemas mucho más escuetos que contienen solo las partes esenciales del proceso, porque es imposible recrear con todo detalle las sofisticadas estructuras fotosintéticas naturales», admite Lisa M. Utschig, bioquímica del Laboratorio Nacional Argonne. Y sabe bien de lo que habla. Lleva más de dos décadas estudiando el proceso y asegura que, en los intentos de copiar la fotosíntesis en el laboratorio, «es posible que estemos omitiendo algo que emplea la naturaleza para que el proceso sea eficiente».

«A veces no sabemos qué piezas son esenciales para copiar la fotosíntesis hasta que las probamos, lo que hace que los experimentos sean más desafiantes, pero también que estemos ante un divertido misterio que resolver», añade. Con esta actitud detectivesca, Utschig no para de buscar pistas, y sus últimas pesquisas apuntan a que la clave puede estar en los intercambios moleculares.

Para entender a qué se enfrentan los investigadores hay que tener en cuenta que la principal diferencia entre la fotosíntesis natural y la artificial es que mientras las plantas, algas y bacterias captan la luz solar y la almacenan en forma de azúcares que consumen las células, en el laboratorio la energía se almacena en moléculas de hidrógeno. «Esto es importante porque el hidrógeno es un combustible limpio, que cuando se quema solo genera agua, y puede ser almacenado», aclara Utshig.

En su último experimento, Utschig y sus colegas han combinado tres elementos: una proteína extraída de las espinacas, un fotosintetizador que absorbe la luz y un catalizador que produce una molécula de hidrógeno. Cuando el sistema se ilumina, el fotosintetizador emite dos electrones que, después de atravesar la proteína, llegan al catalizador, que es el que genera hidrógeno. Lo que el equipo de Utschig ha hecho es observar con técnicas espectroscopía óptica y de resonancia paramagnética este movimiento de los electrones de un modo que no se había observado antes. Una vez que no lo analicen sabrán dónde se pierde eficiencia y podrán perfeccionar el proceso para lograr que la fotosíntesis artificial sea una realidad.

122 millones de dólares invertidos en el Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) y ocho equipos de investigadores dedicados en exclusiva a desarrollar la fotosíntesis artificial dan la idea de que Estados Unidos apuesta de lleno por este futuro energético. Uno de esos equipos está liderado por el físico y matemático John Gregorie, cuya misión es que el conocimiento científico sobre la fotosíntesis se convierta en «innovación real». «Capturar la luz eficientemente, llevar a cabo reacciones catalíticas para obtener hidrógeno y separar el combustible para su extracción sencilla son tres procesos desafiantes que están más que conseguidos por separado en el laboratorio», asegura Gregorie.

Y aunque todos necesitan mejoras, a su entender «el mayor reto actual de los ingenieros consiste en combinar los tres en un solo dispositivo que cumpla el doble requisito de eficiencia y durabilidad». En el JCAP tienen ya un prototipo que, según sus propias palabras, «produce hidrógeno con una eficiencia que excede a la de la fotosíntesis natural». El reto de Gregorie y su equipo ahora es «establecer métodos que permitan testar nuevos materiales y nuevos conceptos rápidamente en los dispositivos, para acelerar el ciclo de desarrollo tecnológico de varios años a solo unos meses».

EE UU ha invertido 122 millones de dólares y ocho equipos de investigadores a desarrollar la fotosíntesis artificial

Parece que el final del camino empieza a vislumbrarse. Lograr la fotosíntesis artificial revolucionaría el campo de las energías renovables porque ofrece «la capacidad única de generar todo el combustible líquido que necesitamos sin carbono», reflexiona Gregorie. Pero sustituir los combustibles fósiles por luz de sol implica mucho más que reducir la emisión de gases a la atmósfera, con el consiguiente beneficio para el clima. «La luz solar no es geopolítica y es gratis para todos», afirma con esperanza Utschig. Gregorie coincide en este enfoque, pero a la vez advierte que hay que ponerse a trabajar de inmediato en una estrategia de desarrollo conjunta entre científicos, ingenieros y políticos. «Desarrollar una infraestructura revolucionaria para esta nueva forma de energía no es cuestión de años sino de décadas, y exigirá además una evolución en políticas energéticas».

Un problema de la fotosíntesis artificial es que debe imitar el efecto fotosintético con un rendimiento mayor y para ello se busca una antena que capte de manera efectiva los fotones de luz.

El primer paso de la fotosíntesis es precisamente esa captura y luego viene el transporte de esa energía y su conversión en energía química.

Un equipo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers encontró una solución para la construcción de la antena: combinar hebras de ADN con moléculas de tinte. El sistema se asemeja al natural. El ADN actúa como plataforma para crear un sistema que permita recolectar la luz. En las plantas, esta plataforma consiste en un elevado número de proteínas que organizan las moléculas de clorofila para que capten la luz del Sol. Es un sistema muy complejo y casi imposible de replicar de manera artificial, porque todo se pierde si las uniones se rompen.

Sin embargo, utilizando ADN se puede conseguir un sistema autoconstruido que tenga suficiente precisión y además se repare a sí mismo.

Ventajas

La fotosíntesis artificial presenta ciertas ventajas con respecto de los paneles fotovoltaicos. La diferencia principal es que mientras la conversión directa de la luz solar en electricidad a través de paneles no permite su almacenamiento a gran escala, la fotosíntesis artificial puede producir combustible almacenable.

La fotosíntesis artificial tiene potencial para producir más de un tipo de combustible. El proceso fotosintético puede ajustarse para que las reacciones entre la luz, el dióxido de carbono y el agua produzcan hidrógeno líquido y usarlo como combustible de forma directa, pero también podría ser canalizado hacia una célula de hidrógeno, revertir la electrólisis y generar electricidad para el uso doméstico.

Uno de los problemas con el hidrogeno es encontrarlo en estado liquido en la naturaleza, pero con la fotosíntesis artificial este problema desaparece, ya que se consigue de forma natural gracias al agua y la luz solar que almacena este sistema.

El metanol es otro subproducto de la fotosíntesis natural que podría generarse también a través de la artificial: en lugar de emitir hidrógeno puro en el proceso, la célula fotoelectroquímica podría emitir este gas, que normalmente se obtiene a partir del metano del gas natural, y utilizarse como combustible.

Ecología

La capacidad de producir combustibles limpios sin generar subproductos nocivos, como por ejemplo Gases de Efecto Invernadero, hace de la fotosíntesis artificial una fuente de energía ideal para el medio ambiente. No requiere de extracciones ni perforaciones (como la minería), sus materias primeras no desaparecerán y es potencialmente menos costosa que las otras formas de energía.

Además, al utilizar CO₂ como fuente de alimentación la reacción de la fotosíntesis artificial podría disminuir la cantidad de dióxido de carbono que se encuentra en nuestro aire, devolviendo oxígeno puro y deshaciendo el camino de la contaminación.

México

En nuestro país, el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) lanzó en 2012 un programa de fotosíntesis artificial. El proyecto es una iniciativa nacional que agrupa a científicos del Instituto Politécnico Nacional, la Universidad Autónoma de Nuevo León, el Centro de Investigación y Estudios Avanzados, el Centro de Investigación en Materiales Avanzados y la Universidad Autónoma Metropolitana, que desarrollan diversas líneas de investigación que amplían el enfoque de la iniciativa.
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 para ello la luz del Sol. 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.

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 tanto desde el punto de vista científico como desde el punto de vista económico, dada su potencial aplicación en la explotación de la energía solar, sin embargo el proceso es tan complejo que aún en un laboratorio es difícil de replicar.

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 en forma de compuestos orgánicos a partir de óxido carboxílico y aceite. Esto hace que la fotosíntesis artificial sea una tecnología atractiva no sólo desde el punto de vista práctico y económico, sino también desde el punto de vista ecológico, ya que potencialmente podría ayudar a mitigar o revertir algunos de los efectos adversos producidos por el consumo de combustibles fósiles como el calentamiento global.

Las investigaciones en cuanto a fotosíntesis artificial se pueden dividir de acuerdo con la fase de la fotosíntesis natural que buscan replicar: la separación de moléculas de aguapara obtener hidrógeno y oxígeno que ocurre en la fase luminosa, y la fijación del dióxido de carbono que ocurre en la fase oscura

Hace unos días, la empresa tecnológica Panasonic dio a conocer algunos avances en las investigaciones que han estado llevando a cabo, relacionadas con el diseño de un dispositivo capaz de emular la fotosíntesis a partir de una serie de reacciones. Panasonic no es el primera que lleva a cabo este tipo de experimentos, pero es quien logró la mayor eficiencia hasta el momento.

Si bien los procesos llevados a cabo por las máquinas y los seres vivos no son exactamente iguales, la idea general es que ambos tienen la capacidad de tomar dióxido de carbono, agua y energía lumínica y transformarlos en oxígeno y algún carbohidrato.

La importancia de este logro, radica en que, en un futuro, se podrá utilizar el dióxido de carbono que es eliminado a la atmósfera por la actividad humana, y se le dará utilidad, gracias a la intervención de agua y luz solar

Por ahora, la eficiencia lograda para esta reacción es de 0,2% (igual a la conseguida por las plantas), pero los avances tecnológicos relacionados con el uso de nitruros como semiconductores, sugieren a los científicos e ingenieros que no falta mucho para que se pueda utilizar esta nueva forma de evitar el exceso de dióxido de carbono en la atmósfera.

Por un lado, un semiconductor (es decir, un material con una conductividad entre la de un conductor y la de un aislante, cuya conducta puede ser manipulada) expuesto a la luz, produce un flujo de electrones que resulta en laoxidación del agua dando oxígeno, hidrógeno y electrones que se utilizarán en la siguiente reacción.

Lograr la oxidación del agua representa una gran hazaña, ya que esta molécula es muy estable. El semiconductor que se utilizó en este caso fue de un nitruro, que ya ha demostrado en otros dispositivos ser muy eficiente y tener la capacidad de ahorrar energía.

Luego de la oxidación del agua, los electrones liberados por esta reacción son utilizados para la reducción del dióxido de carbono.Gracias a este semiconductor se pudieron excitar a los electrones con suficiente energía como para que el dióxido de carbono se reduzca. Esta reacción de reducción ocurre en un catalizador metálico en el lado opuesto el semiconductor de nitruro; y dará lugar a la formación de ácido fórmico (HCOOH). El ácido fórmico es usado para la producción organicias, en industria textil y en tinturas, entre otras aplicaciones.

Objective

To develop artificially the process of photosynthesis.

Justification

There autótrofos mechanisms that take advantage of the light as the plant extract these pollutants through biochemical processes and conclude in organic matter and oxygen.

It has been proven the existence of photosynthesis for thousands of years and have found methods in which it is produced artificially.

We try a method in which photosynthesis can be developed using plastic sheeting, solar panels, wood plates, earth, to produce an artificial medium.

Hypothesis

If we keep under artificial conditions at a plant may develop Then the process of photosynthesis.

Method (materials and procedure)

List of Materials

1 plate of the mine from 30 x 50.

Tables of different sizes.

1 Plate of transparent plastic.

4.5 Kg of land for mallet.

1 photovoltaic plate.

4 screws

4 washers

1 bulb of hotbeds LED

500 ml of sealer for wood.  Industrial glue.

Material for fertilization.

Hammer.

Drill.

Screws.

Process

1. For the assembly of the box:
2. a) Build on wooden board 30 x 50 cm to place the other tables creating walls in the base table.
3. b) Using the base table, place each remaining table with their respective sides.
4. Place the wood sealer entire surface. 3. Paint the outside of the box with a color of your choice. (Optional)

4. Paint the inside of the box with a color of your choice. (optional)

5. Place above the table 50 x 10 cm plate thick transparent plastic having an interior view.
6. Install LED focus on the back of the box
7. Check that is in a position to give light to the entire space of the box.
8. Connect the LED spotlight to the solar panel and then give you energy. 9. Place the panel outside the box.
9. Make a hole of 1 cm in diameter up to the four corners of the box.

11. pierce the aluminum plate (box cover) at all four corners and that match the four corners

Method Gallery

Results

We got a wooden box 20 centimeters 30 centimeters by 50 centimeters with a unable to 4 kilos of fertile land , with space for plants and small crops with acrylic lid 30 centimeters by 50 centimeters plus panel UN It provides solar energy 60 LED bulbs.

Results Gallery

Discussion

The artificial photosynthesis in other media generates a 1.3% growth of the plant per day , so it is a viable option that our case has presented favorable and similar to those of previous research results. The soil  is fertile environment is fertile depending on the atmosphere and conditions to which this exposed and thus the housing that performs the artificial photosynthesis , generates life after 4 days of operation with the grass.

Conclusions

The artificial photosynthesis generates the same process as the native although in contrast to this one, the artificial photosynthesis is a way sustainable  to have an alternative and that it is possible to realize in a simpler way.

On having used a way adapted like the box, be achieved to recreate the process with the safety of which this one was working.

Our methodology consisted of the fact that this process could be realized with economic quality materials and to provide an economic benefit to the environment.

Bibliography

Consultado en:

Fotosíntesis artificial. (2013)  Sitio web: http://www.elorigendelhombre.com/fotosintesis%20artificial.html

Importancia de la fotosíntesis. (2012) Sitio web: http://www.importancia.org/fotosintesis-artificial.php

Ciencias. (2013) Sitio web: http://elpais.com/elpais/2015/10/19/ciencia/1445246229_278009.htm

¿Qué es la fotosíntesis? (2013). Sitio web: http://www.guioteca.com/educacion-para-ninos/%C2%BFque-es-la-fotosintesis-sencilla-explicacion-para-entender-este-proceso/