Estimad@s Clientes y/o amantes del LEAN:
¿Qué tienen en común el coche de hidrógeno y una planta?: en
ambos un flujo de electrones es la causa raíz de todo:
En el caso del coche, los
electrones se liberan del hidrógeno y producen una corriente eléctrica que se
usa para mover el vehículo
En el caso de la fotosíntesis,
estos electrones se utilizan para bombear protones a través de la membrana
mitocondrial interna, guardando energía en forma de un gradiente electroquímico
transmembrana. El flujo de protones de vuelta a la matriz mitocondrial provee
de suficiente energía para que el ADP se combine con fósforo inorgánico
para formar ATP, la nanomáquina que dota de energía a todas las formas de
vida de este planeta
(ver detalles del ATP en la siguiente entrada de mi blog: http://historiasdellean.blogspot.com.es/2016/01/mensajes-amables-de-fin-de-semana-la_31.html
)
La diferencia clave entre ambos casos es que en el ejemplo
del coche necesitamos producir hidrógeno en fábrica ( muy caro,
tanto de obtener como de distribuir ) y usar como catalizador de la
reacción platino, una sustancia escasa y también muy cara……!!!en el
caso de la fotosíntesis, todo está en los cloroplastos de las plantas de
nuestro jardín!!!
( no os perdáis el videoclip con el cochecito en marcha, una
vez hecha a electrólisis )
(simulación del principio de funcionamiento de la pila de
combustible )
Toyota FCV Concept: todo sobre el prototipo de pila de combustible
Rango de al menos 500 kilómetros y unos tiempos de reabastecimiento de combustible de unos tres minutos, más o menos el mismo tiempo que para un llenar el tanque de un vehículo de gasolina.
La tecnología híbrida de Toyota es una
tecnología fundamental también para los vehículos de pila de combustible.
Combinando las tecnologías de células de combustible híbridas y la tecnología
de gestión de energía de Toyota se obtiene un resultado altamente eficiente.
A una velocidad de crucero constante, el
motor es alimentado por la energía de la pila de combustible.
Cuando se necesita más potencia, por ejemplo durante una
aceleración repentina, la batería suple energía adicional a la
producción de la célula de combustible.
Por el contrario, a baja velocidad cuando se requiere menos
potencia, el vehículo funciona únicamente con la batería. Durante la deceleración el
motor actúa como un generador eléctrico para capturar la energía de
frenado, que se almacena en la batería.
Para los más curiosos este es básicamente el mecanismo
de la generación de electricidad a partir de hidrógeno y oxígeno en
una pila de combustible:
- El
hidrógeno se suministra en el extremo del ánodo .
- Las
moléculas de hidrógeno activadas por el catalizador del ánodo liberan
electrones.
Los electrones liberados del hidrógeno viajan desde el ánodo
al cátodo, creando una corriente eléctrica.
Las moléculas de hidrógeno que liberan electrones se
convierten en iones de hidrógeno y se mueven a través de la membrana de
electrolito de polímero hacia el lado del cátodo.
La hipótesis quimiosmótica
Peter Mitchell propuso la
"hipótesis quimiosmótica" en 1961.1 Esta
teoría propone esencialmente que la mayor parte de la síntesis de ATP en la
respiración celular, viene de un gradiente electroquímico existente entre la
membrana interna y el espacio intermembrana de la mitocondria, mediante el uso
de la energía de NADH y FADH2 que se han formado por la ruptura
de moléculas ricas
en energía, como la glucosa.
Las moléculas como la glucosa, son metabolizadas para
producir acetil-CoA como un intermediario rico en energía. La
oxidación de acetil-CoA en la matriz mitocondrial está acoplada a la reducción
de una molécula transportadora como NAD+ y FAD.2
Los transportadores traspasan electrones a
la cadena transportadora de electrones en
la membrana mitocondrial interna, que luego los traspasan a otras proteínas en
la cadena transportadora. La energía disponible en los electrones se usa para
bombear protones desde la matriz, a través de la membrana mitocondrial interna,
guardando energía en forma de un gradiente electroquímico transmembrana. Los
protones se devuelven a través de la membrana interna, mediante la enzima ATP-sintasa.
El flujo de protones de vuelta a la matriz mitocondrial mediante la
ATP-sintasa, provee de suficiente energía para que el ADP se combine con fósforo inorgánico
para formar ATP. Los electrones y protones en la última bomba proteica de la
cadena transportadora son llevados al oxígeno (O2)
para formar agua (H2O).
Ésta fue una propuesta radical en su tiempo, y no fue bien
aceptada. La visión que prevalecía era que la energía de la transferencia
electrónica se almacenaba es un intermediario estable de alta energía, un
concepto más conservativo del punto de vista químico. El problema de éste viejo
paradigma fue que nunca se encontró aquel intermediario, y la evidencia del
bombeo de protones por los complejos de la Cadena de Transporte de electrones
creció de forma tal, que no pudo ser ignorada. Eventualmente, el peso de la
evidencia comenzó a favorecer la hipótesis quimiosmótica, y en 1978, el Premio
Nobel de química fue entregado a Peter Mitchell.3
El acoplamiento quimiosmótico es importante en la producción
de ATP en el cloroplasto4 y
muchos tipos de bacteria.5
¿Qué es la fuerza protón-motriz?
La diferencia de concentración de un soluto
entre dos compartimentos separados por una membrana biológica, o de
características semipermeables similares, crea un gradiente de concentración.
Cuándo el soluto presenta carga eléctrica, como es el caso de los protones, se
crea además un gradiente eléctrico. La combinación de ambos se conoce
como gradiente electroquímico.
Para crear un gradiente electroquímico se necesita aporte de
energía y, por ello, dónde existe un gradiente hay energía almacenada en forma
de energía potencial, el conocido potencial electroquímico.
Si se deja de aportar energía, el soluto comenzará a fluir a
través de la membrana en el sentido en el que se restaure el equilibrio
termodinámico del sistema, es decir, en el sentido en el que el
potencial electroquímico disminuya y el gradiente desaparezca.
En este contexto, la fuerza protón-motriz se
define como la fuerza que promueve el movimiento de protones a través
de una membrana biológica debido a un potencial electroquímico. Si hay
mayor concentración de protones a un lado de la membrana, los protones fluirán
hacia el lado con menor concentración, es decir, en favor del gradiente
electroquímimco.
Algunas proteínas de membrana son capaces
de utilizar energía para crear un gradiente de protones entre los
compartimientos celulares separados por la membrana asociada. Otras proteínas,
por el contrario, son capaces de aprovechar la fuerza protón-motriz generada
por ese potencial para realizar un trabajo.
Uno de los ejemplos más destacados lo tenemos en la cadena
respiratoria de la membrana interna mitocondrial, también conocida como
cadena de transporte de electrones.
Como dije en la introducción, el truco está en abaratar los
catalizadores de las pilas, que son los que provocan la reacción original; ahí
va un gran avance hecho por José Barranco, un investigador de la Universidad de
El País Vasco
Fabrican pilas de combustible más eficientes gracias a
un nuevo catalizador
Las pilas de metanol suponen una alternativa eficaz y
sostenible a los combustibles fósiles, pero aún no resultan rentables
económicamente. Sin embargo, el químico de la UPV/EHU José E. Barranco ha
desarrollado en su tesis doctoral nuevos materiales que permiten fabricar pilas
de metanol más baratas y eficientes.
El metanol como alternativa
Actualmente, la mayoría de las investigaciones se centran en
las pilas de hidrógeno. Su mayor ventaja es que no generan gases contaminantes,
sino vapor de agua como único residuo. Sin embargo, el hidrógeno resulta muy
caro, tanto de obtener como de distribuir por medio de los sistemas
tradicionales de transporte terrestre. Además, su densidad energética es menor
que la del metanol, lo que significa que, para obtener la misma energía de un
mismo depósito de combustible, harían falta presiones de hidrógeno muy elevadas
(por encima de los 800 bar). Por esta razón, el hidrógeno resulta peligroso, y
más en vehículos que circulen a gran velocidad, ya que una pequeña fisura en el
depósito tendría consecuencias fatales. Éstas y otras razones convierten al
metanol (un tipo de alcohol derivado del gas metano) en un buen candidato para
alimentar las pilas de combustible.
Catalizadores más eficientes y sostenibles
Para que una pila genere electricidad debe producirse una
reacción química llamada electro-oxidación, y ésta, a su vez, requiere un
catalizador que acelere el proceso. Ese catalizador se inserta en la membrana
de la pila. En el caso del metanol, el acelerador básico es el platino, una
sustancia escasa y cara. Por esa razón, el objetivo de la tesis del dr.
Barranco ha sido elaborar un catalizador compuesto por una aleación de metales
donde el platino se redujera considerablemente. Su investigación parte de un problema
fundamental: la electro-oxidación del metanol produce monóxido de carbono, una
molécula que se adhiere al metal e inhibe su capacidad catalizadora, es decir,
impide que el acelerador haga su trabajo, y la producción de energía se
detiene.
Tras estudiar la composición de numerosos metales, el dr. Barranco ha fabricado aleaciones que permiten reducir la proporción de platino al 1%. Estas aleaciones, compuestas por elementos, como níquel, niobio, antimonio o rutenio, entre otros, tienen la particularidad de convertir las moléculas de monóxido de carbono (CO) en dióxido de carbono (CO2) de manera más eficaz. Y es que el segundo, por tratarse de un gas, ya no queda adherido al catalizador, lo que a largo plazo favorece el proceso catalítico.
Esto supone que la pila de combustible de metanol emitirá una pequeña cantidad de CO2, la cual, según el Dr. Barranco, puede ser fácilmente tolerable por la naturaleza, ya que se integra en el ciclo de la fotosíntesis de las plantas. Según un estudio de la American Metanol Institute, se prevé que en el año 2020 habrá una flota de 40 millones de coches movidos por pilas de metanol, lo que significa que las emisiones de CO2 se verán reducidas en unos 104 millones de toneladas con respecto a las emisiones de las gasolinas.
Tras estudiar la composición de numerosos metales, el dr. Barranco ha fabricado aleaciones que permiten reducir la proporción de platino al 1%. Estas aleaciones, compuestas por elementos, como níquel, niobio, antimonio o rutenio, entre otros, tienen la particularidad de convertir las moléculas de monóxido de carbono (CO) en dióxido de carbono (CO2) de manera más eficaz. Y es que el segundo, por tratarse de un gas, ya no queda adherido al catalizador, lo que a largo plazo favorece el proceso catalítico.
Esto supone que la pila de combustible de metanol emitirá una pequeña cantidad de CO2, la cual, según el Dr. Barranco, puede ser fácilmente tolerable por la naturaleza, ya que se integra en el ciclo de la fotosíntesis de las plantas. Según un estudio de la American Metanol Institute, se prevé que en el año 2020 habrá una flota de 40 millones de coches movidos por pilas de metanol, lo que significa que las emisiones de CO2 se verán reducidas en unos 104 millones de toneladas con respecto a las emisiones de las gasolinas.
Que disfrutéis cada hora del fin de
semana
Un cordial saludo
Alvaro Ballesteros
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