Revista de extensión agraria - Ministerio de Agricultura

CONVERSION FOTOQUIMICA
DE LA LUZ SOLAR
La luz solar como activadora de las
reacciones químicas
Para que las sustancias químicas reaccionen entre sí es necesario que sus moléculas
sean activadas mediante una cierta energía de
activación, que varía entre ciertos límites. Las
reacciones que requieren menos energía de
activación son rápidas, y aquellas otras que
requieren más energía de activación son lentas. En las reacciones químicas ordinarias, la
energía de activación se produce como consecuencia de los violentos choques ocurridos
entre sus moléculas. Cuando aumenta la
temperatura, la reacción química se acelera
porque crece el número de choques entre las
moléculas. Algunas reacciones químicas que
no se producen con suficiente rapidez se
pueden acelerar por la acción de la luz (fotoquímica), que puede proporcionar la suficiente energía de activación.
La luz, como cualquier otra radiación, está
compuesta por unas unidades, llamadas fotones, cada una de las cuales contiene una
cantidad definida de energía, llamada cuanto
de energía. El cuanto de un determinado
fotón es inversamente proporcional a su longitud de onda (1).
Para que ocurra una reacción química
ordinaria es necesario que la molécula adquiera la suficiente energía de activación para
provocar que un electrón se desplace de su
posición normal dentro de la molécula. El
fotón puede ser absorbido por la molécula
solamente en el caso de que la energía de
activación sea aproximadamente igual a la
energía del fotón. En el caso de la radiación
solar, únicamente pueden producir reacciones
de este tipo la luz visible y la radiación
ultravioleta.
Cada molécula puede ser activada únicamente por un solo fotón de luz visible o
(1) La energía de un fotón = 1 cuanto = E = hu, siendo
h = constante de Planck y u = frecuencia del fotón.
Por otra parte, cuando la onda, de una longitud de
onda Á, se desplaza a una velocidad v, la frecuencia,
que es el número de ondas que pasan por un punto
determinado durante la unidad de tiempo, viene dada
por la expresión u=v/X, siendo v =-velocidad de la luz
y Á=longitud de onda del fotón. Por consiguiente,
quedaría la expresión E = hy/X.
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radiación ultravioleta. Una vez producida esa
activación pueden ocurrir los siguientes
efectos:
— La molécula activada transmite su energía a otras moléculas, debido a las colisiones
producidas con estas moléculas. De este
modo se incrementa la energía cinética de las
moléculas y se produce un aumento de la
temperatura del cuerpo, sin provocar ningún
cambio químico. Este efecto es el más común
producido por la luz solar.
— La molécula activada rompe un enlace
químico y se descompone en átomos o grupos de átomos.
— La molécula activada transmite su energía a la molécula de otro compuesto químico,
y esta segunda molécula experimenta un
cambio químico. Para que ocurra esta transmisión de energía se requiere que ambas
moléculas estén juntas durante un cierto
tiempo.
— La molécula activada despide luz con
una longitud de onda distinta de la luz
absorbida.
— La activación provoca la salida de un
electrón de la molécula, produciéndose una
ionización.
Limitaciones de la conversión fotoquímica
En los motores térmicos la energía de la
radiación solar se convierte con facilidad en
trabajo mecánico; pero debido a las limitaciones que impone la termodinámica, la temperatura de funcionamiento debe ser alta y, en
consecuencia, los colectores son costosos y
las pérdidas de calor resultan cuantiosas. En
la conversión fotovoltaica la energía de la luz
solar se convierte directamente en energía
eléctrica mediante ciertos semiconductores
sólidos; pero el sistema requiere un material
sofisticado y costoso.
En principio, la utilización de la energía de
la radiación solar como activadora de ciertas
reacciones químicas puede ofrecer algunas
ventajas con respecto a los dos sistemas de
conversión citados anteriormente: se salvan
las limitaciones que impone la termodinámica,
se requieren unos equipos simples y poco
costosos y existe la posibilidad de poder
almacenar, a bajo coste, los productos obtenidos, para ser consumidos más tarde.
Sin embargo, el sistema de conversión
fotoquímica ofrece serias limitaciones. La
mayoría de estas reacciones son activadas
únicamente por la luz visible y la radiación
ultravioleta, con lo cual, en principio, se
puede utilizar menos de la mitad de la radiación solar incidente; en muchas ocasiones
sólo una pequeña parte de la radiación solar
puede activar las reacciones químicas. Por
otra parte, el rendimiento varía mucho de
unas reacciones a otras, debido a que las
fases que siguen a la fotoactivación son
complicadas.
Resulta difícil encontrar una reacción fotoquímica conveniente, puesto que ha de cumplir una serie de condiciones:
— Las sustancias que reaccionan (o un compuesto
fotosensible añadido) deben ser capaces de absorber la
luz de un amplio margen del espectro visible, con el fin
de captar la mayor energía posible.
— Es imprescindible que los productos de la reacción
se puedan almacenar indefinidamente, para poderlos utilizar con posterioridad.
— La energía almacenada en los productos de la reacción debe ser suficientemente grande, con el fin de
poderla recuperar económicamente. La recuperación en
forma de energía eléctrica es preferible a la recuperación
en forma de calor.
— Es preferible que las sustancias reaccionantes sean
abundantes y baratas, aunque esto no sería imprescindible, puesto que se regeneran cuando se recupera la
energía almacenada y, por tanto, pueden utilizarse de
nuevo.
Supongamos que mediante la radiación
solar fuera posible la descomposición o diálisis del agua en sus dos componentes:
H 2 O + radiación — H 2 + 72 02
La energía de la radiación solar absorbida
en este proceso se podría recuperar, al
menos parcialmente, mediante la combustión
del hidrógeno.
Este proceso, si se diera en la naturaleza
con suficiente intensidad, tendría una enorme
importancia en el aprovechamiento de la
energía solar, puesto que se parte de una
materia prima (el agua), casi gratuita. Sin
embargo, no ocurre así (2).
Se sabe que solamente un 3 por 100 de los
fotones de radiación solar que inciden sobre
el agua del mar tienen energía suficiente para
verificar la descomposición del agua. Por otro
lado, ni siquiera se puede aprovechar ese
escaso porcentaje, puesto que el agua es casi
transparente a la luz de esa longitud de onda,
con lo cual la absorción de fotones con suficiente energía es sumamente escasa.
(2) En la diálisis del agua producida por la aplicación de
un campo eléctrico (electrolisis) se comprueba que
para romper una molécula de agua se requiere una
energía de 3 electronvoltios (eV). Esta energía sólo
la puede proporcionar un fotón con una longitud de
onda inferior a 0,4 micras. Un fotón de mayor longitud
de onda no tiene energía suficiente para romper
la molécula de agua; por otro lado, esta molécula
de agua no tiene prácticamente ninguna posibilidad
de acumular la energía de más fotones, puesto que
pierde la energía del primer fotón antes de recibir
el impacto del segundo.
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Se llega a la misma conclusión, un tanto
decepcionante, cuando se utilizan otras reacciones: en unas ocasiones, los productos de
la reacción son inestables y se combinan
inmediatamente; otras veces esos productos
absorben radiación y se descomponen en
otros compuestos menos útiles. La investigación sobre este tema continúa experimentando en numerosos compuestos químicos,
con la esperanza de conseguir mejores resultados.
Se investiga también la posibilidad de facilitar la diálisis del agua mediante fotosensibilizadores que, de alguna forma, almacenen la
energía de los fotones; sin embargo, hasta
hoy día no se ha conseguido un rendimiento
aprovechable.
La fotosíntesis
Mediante la fotosíntesis, las plantas verdes
y algunos microorganismos construyen moléculas orgánicas complejas a partir del agua y
del dióxido de carbono, utilizando en este
proceso la energía de la luz de la radiación
solar.
La reacción global de la fotosíntesis viene
representada por la ecuación:
n CO 2 + n H 2 0 + LUZ — n(CH 2 0) + nO2
En esta reacción, activada por la luz, se
combinan el bióxido de carbono y el agua
para formar hidratos de carbono y liberar
oxígeno. El hidrato de carbono más simple es
la glucosa, C6F1 1206, que sirve para elaborar
otras moléculas más complejas presentes en
las plantas: otros hidratos de carbono, grasas
y proteínas. La energía requerida para formar
estas moléculas complejas proviene de la
oxidación de una parte de los primeros hidratos de carbono formados, que se transforman
de nuevo en dióxido de carbono y agua.
Se ha comprobado que el oxígeno liberado
en el proceso de la fotosíntesis procede
exclusivamente del agua. Esto exige el rompimiento o diálisis de las moléculas de agua
por la acción de la luz (fotolisis). Ahora bien,
los fotones de la luz, por separado, no tienen
la energía suficiente para realizar este fenómeno; se necesita un sensibilizador que pueda
absorber fotones y almacenar su energía
hasta que se haya acumulado la suficiente
para verificar el proceso. Este sensibilizador
es la clorofila.
Rendimiento de la fotosíntesis
La clorofila absorbe la luz de todo el espectro visible, aunque con distinto grado de
intensidad. La zona más efectiva corresponde
al color rojo, pero aun así el rendimiento en
esta zona no llega, ni con mucho, al 50 por
100. Teniendo en cuenta, además, que la
radiación visible representa menos del 50 por
100 de la radiación solar total, se calcula que
el rendimiento máximo teórico de la utilización de la energía solar por las plantas es de
un 11 por 100.
En experimentos muy controlados se han
conseguido rendimientos muy próximos al
citado anteriormente; pero en las plantas que
crecen libremente los rendimientos son mucho
más bajos, no sobrepasando en muchas ocasiones el 1 por 100. Las diferencias entre el
rendimiento teórico y los conseguidos en la
práctica habitual de cultivo son debidos a
numerosos factores, que inciden en mayor o
menor grado. De estos factores se destacan
los siguientes:
— El nivel de iluminación. La fotosíntesis
aumenta cuando aumenta la iluminación, aunque ambos incrementos no son proporcionales, pues la eficiencia de la transformación de
la energía luminosa en energía química es
mayor cuando hay poca luz.
En algunas plantas ocurre que a partir de
un cierto nivel el proceso fotosintético no
aumenta, aunque aumente la intensidad de la
luz. Se produce una saturación de luz, debido
a que los fotones llegan a las moléculas de
clorofila a un ritmo superior al que esas
moléculas de clorofila van almacenando la
energía de los fotones.
Por otra parte, la magnitud de la sombra
que unas hojas producen sobre otras depende de la disposición de las mismas, o sea, de
la especie o variedad cultivada.
— La disponibilidad de bióxido de carbono.
En el aire existe suficiente cantidad de bióxido de carbono para cubrir las necesidades
normales de las plantas; pero hay situaciones
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en que el aporte de este gas es insuficiente,
como pudiera ser el caso de un cultivo con
una gran masa vegetativa y con el aire muy
encalmado. En el momento de máximo crecimiento, la demanda diaria de bióxido de
carbono puede ser de 40 litros por metro
cuadrado de superficie. Dada la concentración de bióxido de carbono en la atmósfera
(0,03 por 100), ello equivale a que la planta
necesita todo el bióxido de carbono contenido en el aire situado encima de las plantas
hasta una altura de unos 130 metros.
— La temperatura del aire. En términos
generales la fotosíntesis se inicia a partir de
un umbral mínimo de temperatura y se
incrementa a medida que ésta aumenta, hasta
llegar a un óptimo de eficiencia que varía de
unas plantas a otras; a partir de entonces la
actividad fotosintética decrece hasta llegar a
un límite superior, por encima del cual no se
produce la función.
— La humedad. Los estomas de las hojas y
de las partes verdes de las plantas sirven para
la entrada del bióxido de carbono y para la
salida del vapor de agua por transpiración.
Cuando la pérdida de agua es tan intensa
que no puede ser compensada por la aportación de agua de las raíces, la planta se
defiende limitando la abertura de los estomas.
Esto ocurre cuando escasea el agua en el
suelo y cuando hay una excesiva sequedad
en el ambiente acompañada de altas temperaturas. Pero el cierre de los estomas limita la
entrada de bióxido de carbono y, por tanto, el
crecimiento de la planta.
APROVECHAMIENTO DE LA ENERGIA POR
LAS PLANTAS
Las grandes diferencias entre el rendimiento
teórico de la fotosíntesis y los rendimientos
conseguidos en la práctica han incitado a los
técnicos a investigar el mejor aprovechamiento de la energía solar por las plantas.
La energía almacenada en la materia orgánica sintetizada por las plantas se puede
recuperar mediante la combustión u otro proceso de desintegración.
Plantas superiores
Al quemar un kilogramo de la materia seca
de las plantas se recuperan unas 5.000 kilocalorías. En las regiones tropicales húmedas
donde las plantas crecen durante todo el año,
se pueden conseguir, en los casos más favorables, unos 10 kilogramos de materia seca
por metro cuadrado de superficie de cultivo,
que al quemar suministrarían 50.000 kilocalorías. Suponiendo que en estas regiones el sol
proporciona anualmente 1.700.000 kilocalorías
por metro cuadrado, la combustión de la
materia orgánica formada nos permite recuperar un 3 por 100, aproximadamente, de la
energía solar incidente sobre el terreno de
cultivo.
Mediante un cultivo intensivo de plantas
específicamente seleccionadas para producir
una. gran cantidad de materia orgánica, se
podría conseguir una producción anual de 20
kilogramos de materia seca por metro cuadrado, que transformada en calor mediante la
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combustión representaría un aprovechamiento
del 6 por 100 de la energía solar. Al transformar ese calor en energía mecánica y después
en energía eléctrica, el rendimiento se reduce
a la tercera parte, aun en el supuesto de utilizar en estos procesos la técnica más avanzada. Por consiguiente, sólo se podría aprovechar en forma de trabajo un 2 por 100 de la
energía solar puesta en juego.
Plantas inferiores
En algunos países se hacen experiencias de
cultivos controlados de algas, con el fin de
conseguir una gran masa de materia orgánica. El cultivo se realiza en estanques apropiados en donde se suministran los nutrientes. El bióxido de carbono se suministra
mediante aire enriquecido con dicho gas, que
se hace burbujear en el líquido de cultivo. El
bióxido de carbono se suele obtener como
subproducto de la industria, quemando algún
combustible barato o calentando piedra caliza.
Las algas experimentan un cierto grado de
saturación de luz; pero en estos organismos,
a diferencia de lo que ocurre en las plantas
superiores, este efecto se puede contrarrestar
alternando los períodos de exposición de alta
intensidad luminosa con otros de baja intensidad. Esto se logra agitando las algas del
cultivo, para que todas ellas pasen intermitentemente desde zonas iluminadas, junto a la
superficie, hacia zonas profundas, más oscuras.
En algunos casos el suministro de nutrientes se hace mediante el aporte de aguas fecales. En estas aguas proliferan bacterias que
rompen los complejos compuestos orgánicos
contenidos en este medio y los transforman
en otros compuestos más simples (tales como
nitratos, fosfatos, bióxido de carbono y otros
nutrientes) que las algas necesitan para su
crecimiento. Por otra parte, estas bacterias,
que son aerobias, utilizan el oxígeno desprendido en la fotosíntesis que realizan las
algas. De este modo se realiza una interdependencia entre ambos microorganismos —algas y bacterias— de la que ambos salen
beneficiados, a la vez que se eliminan unos
residuos tan desagradables y peligrosos como
son las aguas fecales.
En los cultivos controlados de algas se ha
logrado una producción anual de 10 a 20
kilos de materia seca por metro cuadrado de
superficie, análoga a la conseguida con plantas superiores. Cuando el cultivo se realiza en
condiciones óptimas se obtienen rendimientos
más altos, pero también se incrementan los
costes de producción. El precio resultante
quizá sea demasiado elevado para utilizar el
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producto como combustible, pero no lo será
al ser utilizado como fuente de alimentos o
de productos químicos.
Con respecto al cultivo de plantas superiores, el cultivo de algas ofrece la ventaja de
que puede realizarse en latitudes templadas,
incluso frías, mientras que aquél se puede
realizar únicamente, de forma económica, en
regiones tropicales húmedas. Sin embargo, el
cultivo de algas tiene el inconveniente de que
éstas contienen un porcentaje de agua muy
elevado y el secado requiere un gasto suplementario de energía.
Se puede prescindir del secado mediante
un proceso de fermentación con bacterias
anaerobias. Las algas contenidas en los cultivos, junto con los residuos provenientes de
las aguas residuales, se introducen en unas
cámaras cerradas, en donde la materia orgánica se descompone produciendo un agua
enriquecida en sales minerales (que se utiliza
como fertilizante) y una mezcla de gases
combustibles (en donde el metano representa
más del 50 por 100), que se pueden licuar
para hacer su manejo más fácil.
José Luis Fuentes Yagüe
Ingeniero Agrónomo. S.E.A. Madrid