A natureza teve bilhaµes de anos para aperfeia§oar a maravilha da fotossa­ntese, na qual a energia da luz do sol impulsiona uma reação entre o dia³xido de carbono e a águadentro das plantas (e certas bactanãrias) para criar alimentos. De todas as plantas leves que recebem, no entanto, apenas 1 por cento éusado para este processo. Embora isso possa parecer terrivelmente ineficiente, étudo menos: aquele raio de sol fornece a s plantas 100% da energia de que necessitam.  

A humanidade, por outro lado, tem necessidades de energia muito mais intensas. Para atender a essas necessidades, o mundo continua a depender de fontes sujas ou perigosas, incluindo carva£o, petra³leo e energia nuclear para abastecer a rede elanãtrica, carros e aviaµes e empresas industriais. E ainda assim, a cada hora do dia, luz solar suficiente brilha na Terra para alimentar toda a civilização humana por um ano inteiro. O desafio éo mesmo que as plantas enfrentam por meio da fotossa­ntese: transformar a luz do sol em formas via¡veis ​​de energia. Para atender a s necessidades da sociedade de forma sustenta¡vel, no entanto, devemos converter uma porcentagem muito maior dessa luz solar em combusta­vel do que as plantas, em uma escala muito maior, ao mesmo tempo em que criamos um combusta­vel que seja mais facilmente utiliza¡vel em nossa sociedade.

a‰ por isso que, uma década atrás, o Departamento de Energia financiou um novo Centro de Inovação Energanãtica chamado Centro Conjunto para Fotossa­ntese Artificial (JCAP), liderado pela Caltech e com locais prima¡rios no Laborata³rio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) e no campus. No JCAP, a Caltech tem parceria com pesquisadores do LBNL, do SLAC National Accelerator Laboratory, UC Irvine e UC San Diego. O JCAP reuniu uma equipe diversificada de qua­micos, fa­sicos, cientistas de materiais, engenheiros e outros pesquisadores na busca por novas maneiras ousadas de melhorar os processos da natureza na criação de "combusta­veis solares" (produtos como hidrogaªnio combusta­vel e hidrocarbonetos) usando nada mais do que luz solar e moléculas ba¡sicas, como águae dia³xido de carbono.

Durante sua corrida de 10 anos, os cientistas do JCAP estabeleceram novos recordes para fotossa­ntese artificial, aumentando o desempenho da eficiência energanãtica solar para química de menos de 1 por cento para 19 por cento e projetando geradores de combusta­veis solares altamente esta¡veis. Esses esforços estabeleceram critanãrios de desempenho para materiais individuais e sistemas integrados que orientam a descoberta de materiais. Junto com a maior biblioteca de materiais do mundo, construa­da pela JCAP, esses esforços estabeleceram a base cienta­fica para uma nova economia de energia. 

“Acho que temos uma oportunidade real de trazr um projeto e um caminho cienta­fico para a criação não apenas de combusta­veis solares, mas também, essencialmente, de todos os processos que usamos para a produção industrial”, disse Harry Atwater , Professor Howard Hughes de Fa­sica Aplicada e Materiais Ciência e diretor do JCAP.

“No California Institute of Technology, eles estãodesenvolvendo uma maneira de transformar a luz solar e a águaem combusta­vel para nossos carros.” Naquela linha de seu discurso sobre o Estado da Unia£o de 2011, o presidente Barack Obama iluminou a missão do JCAP: descobrir formas renova¡veis ​​movidas a energia solar de criar os tipos de combusta­veis la­quidos, incluindo hidrocarbonetos, que podem ser aºteis para alimentar carros, casas e fa¡bricas.

“Quando queimamos combusta­veis em um carro, um motor a jato ou um barco, comea§amos com hidrocarbonetos e cuspimos dia³xido de carbono e a¡gua. Agora queremos pegar o dia³xido de carbono e a águae recicla¡-los no combusta­vel ”, diz Tom Jaramillo , membro da equipe do JCAP e professor associado da Universidade de Stanford e SLAC. 

Os combusta­veis solares prometem fazer o que outras alternativas de energia renova¡vel não podem. Os combusta­veis la­quidos podem ser facilmente armazenados e usados ​​a qualquer momento. Os painanãis solares fotovoltaicos, por outro lado, podem absorver os raios apenas quando o sol brilha e exigem grandes melhorias na tecnologia das baterias para armazenar eletricidade para uso posterior. Um número cada vez maior de carros elanãtricos juntou-se a s rodovias americanas, mas suas baterias tem um alcance limitado para suportar seus longos tempos de recarga. A verdade anã, diz Atwater, as baterias geralmente não podem se igualar aos combusta­veis la­quidos em sua capacidade de armazenar muita energia em um pequeno volume. 

“Tenho um Tesla estacionado na minha garagem, então votei com minha carteira que um vea­culo a bateria éuma boa solução”, diz Atwater. “Mas se vocêolhar para toda a frota global de vea­culos de 80 milhões de vea­culos, fica claro que nem todos sera£o elanãtricos. E então temos que ter alguma solução de carbono zero para todos eles. ”

Quando o JCAP foi lana§ado em 2010, diz Atwater, seus cientistas sabiam que para produzir combusta­veis la­quidos usando apenas a luz solar, eles precisariam de novos catalisadores (substâncias que aceleram as reações químicas), novos materiais para transportar cargas elanãtricas durante as reações químicas necessa¡rias e novas estratanãgias para agilizar as reações eletroquímicas. “O que não saba­amos era quais desses catalisadores, materiais e estratanãgias eram os bons”, observa ele. 

Para descobrir, o JCAP construiu uma equipe multidisciplinar de cientistas e engenheiros para investigar cada pea§a do processo. Durante sua execução inicial de cinco anos, de 2010 a 2015, que começou sob a liderana§a de Nathan Lewis(BS '77), George L. Argyros Professor da Caltech e professor de química, JCAP refinou o processo de divisão da a¡gua; quebrar H2O em oxigaªnio molecular e hidrogaªnio éuma etapa cra­tica na química necessa¡ria para produzir combusta­veis solares. Durante esse tempo, os pesquisadores do Caltech alcana§aram uma eficiência de 10,5% na conversão de energia solar em hidrogaªnio por meio da divisão da águae, em 2018, superaram esse recorde com uma eficiência de 19,3%. Nos cinco anos subsequentes, os pesquisadores do JCAP se concentraram na redução do dia³xido de carbono para criar as ligações carbono-carbono necessa¡rias para construir combusta­veis la­quidos ricos em energia, como os hidrocarbonetos. 

“Essa éuma das razões pelas quais o Caltech étão bom”, diz Kimberly See , professora assistente de química. A pesquisa de See sobre eletra³litos (substâncias que criam uma solução eletricamente condutora quando dissolvida em um solvente como a a¡gua) tem se concentrado na construção de baterias melhores e agora ela estãotrazendo algumas das mesmas estratanãgias para pesquisar combusta­veis solares. “a‰ daa­ que vem a inovação: quando as pessoas vão de uma área e comea§am a trabalhar com especialistas em uma área diferente. Acho que sempre acontecem coisas boas. ”

Enquanto descreve a coleção recorde de novos materiais que ele e seus colegas criaram, John Gregoire da Caltech , coordenador de uma das quatro investidas de pesquisa da JCAP, aponta o dedo diretamente para a segunda história do Laborata³rio Earle M. Jorgensen, a casa da JCAP no campus Caltech desde 2012, onde construiu essa biblioteca de materiais.

A fotossa­ntese artificial requer várias etapas essenciais. Um dispositivo deve ser capaz de capturar a luz do sol e transformar os raios do sol em voltagem elanãtrica utiliza¡vel. Essa voltagem forneceria a energia necessa¡ria para conduzir uma variedade de reações químicas que ocultam as moléculas existentes e usam seus ingredientes para sintetizar combusta­veis.

Por exemplo, os cientistas do JCAP querem ser capazes de reduzir as moléculas de CO2 e, em seguida, combinar os a¡tomos de carbono individuais resultantes em longas cadeias para formar moléculas densas em energia. Mas eles devem fazer todo o processo de forma eficiente (de modo que não coloquem mais energia na produção de combusta­veis do que acabara£o por obter ao queima¡-los) e seletivamente (para que as reações não produzam uma sanãrie de subprodutos indesejados), e isso não éatualmente possí­vel em escala industrial.

Gregoire coordena os esforços do JCAP em fotoeletrocata¡lise: o uso de materiais que são ativados pela luz solar para criar a voltagem elanãtrica para conduzir as reações químicas necessa¡rias. Numerosos materiais já conhecidos pela ciaªncia, como materiais usados ​​em painanãis solares, podem realizar algumas das tarefas de que ele necessita. Mas esses materiais não podem sobreviver e prosperar no ambiente hostil de um dispositivo de fotossa­ntese artificial que divide a águaou reduz o dia³xido de carbono

a‰ por isso que Gregoire e seus colegas ainda estãoem busca de materiais que possam fazer tudo. A perseguição ocorre no laboratório de experimentação de alto rendimento da Jorgensen sob medida, logo acima do escrita³rio de Gregoire, onde sua equipe sintetiza diferentes materiais possa­veis a partir dos elementos da tabela peria³dica para ver se o material tem as propriedades necessa¡rias. “Podemos sintetizar e filtrar esses materiais cem vezes mais rápido do que qualquer pessoa jamais foi capaz de fazer antes”, diz Gregoire. “Mas isso ainda não éra¡pido o suficiente para fazer tudo.”

Dadas todas as maneiras possa­veis de combinar os elementos, existem bilhaµes, senão trilhaµes de candidatos possa­veis. Em vez de confiar na força bruta ou tentativa e erro, Gregoire trabalha com os teóricos do JCAP para identificar os tipos de materiais que, com base em sua composição e estrutura, deveriam ter o tipo de propriedades de absorção e condução de luz que ele busca. Mas as ma¡quinas sozinhas não podem fazer esse trabalho: os computadores perdera£o ou descartara£o algumas das possibilidades promissoras. Os humanos do JCAP, com seus anos de experiência e intuição em relação a  aparaªncia de um material auspicioso, também são essenciais. Os computadores são a³timos para reduzir o tamanho do palheiro, mas a s vezes vocêainda precisa de um olho humano para encontrar a agulha.  

“Vocaª estãoprocurando um outlier”, diz Gregoire. “Um outlier éa resposta.”

Esta colaboração de pesquisa homem / ma¡quina deu origem a  maior biblioteca conhecida de materiais, todos eles a³xidos de metal, aºteis para combusta­veis solares. Dos 70 a³xidos de metal conhecidos com qualquer atividade fotoelanãtrica mensura¡vel (a capacidade de transformar a luz do sol em corrente), Gregoire diz, 50 foram descobertos na última década e metade deles pelo JCAP.

Na hora de entender os materiais desenvolvidos no JCAP, Marco Bernardi , professor assistente de física aplicada e ciência dos materiais da Caltech, segue o tea³rico. Comea§ando apenas com a estrutura atômica de um material e as equações da meca¢nica qua¢ntica, Bernardi calcula quanto bem os elanãtrons se movem atravanãs de um candidato a semicondutor ou a³xido. Bernardi descreve esse esfora§o tea³rico como complementar ao lado experimental; fornece uma estrutura para compreender microscopicamente, atéonívelata´mico, os materiais criados no laboratório e seu desempenho. “Acho que estamos preenchendo a lacuna entre a teoria e os experimentos para esses materiais altamente complexos”, diz Bernardi.

Enquanto isso, Jaramillo, do SLAC, também estãoconstruindo uma biblioteca, mas a sua estãocheia de catalisadores: compostos que podem acelerar as reações químicas por trás da fotossa­ntese artificial e que estiveram no centro de quase todos os avanços nas indaºstrias química e de combusta­vel desde seu começo. Por causa da longa experiência da humanidade com combusta­veis fa³sseis, as indaºstrias de petra³leo e gás tiveram décadas para aperfeia§oar o catalisador que ajuda a transformar o petra³leo bruto em gasolina refinada queimada em motores de automa³veis. Os pesquisadores que investigam alternativas renova¡veis, incluindo combusta­veis solares, estãoem uma corrida para alcana§a¡-los.

Especificamente, Jaramillo se concentra em encontrar os catalisadores ideais para acelerar e refinar as reações necessa¡rias para quebrar a águae reduzir o dia³xido de carbono. Seu objetivo écriar o arranjo certo de a¡tomos, estrutura geomanãtrica e estrutura eletra´nica de modo que, se, por exemplo, uma molanãcula de CO2 encontrar esse catalisador, Jaramillo diz, "o catalisador estãopronto para rasgar aquela coisa em seus a¡tomos constituintes e em seguida, reformule-os na molanãcula que queremos a s custas daquela que não queremos. ”

Scott Cushing , professor assistente de química na Caltech, éum redutor que se descreve. “Eu cresci em West Virginia trabalhando com carros”, diz ele. “Gosto de trabalhar com sistemas meca¢nicos. Quando fui para a faculdade, alguém me mostrou um laser e me apaixonei. Tenho trabalhado na ciência da instrumentação baseada em laser desde então. ”

Como evidaªncia, Cushing passou seus anos de pa³s-doutorado trabalhando em uma versão de mesa de um sa­ncrotron antes de entrar para o corpo docente da Caltech em 2018. Normalmente visto na forma de um anel gigante de aceleração departículas, um sa­ncrotron éuma ferramenta que tira proveito dos elanãtrons em movimento rápido tendaªncia de emitir raios X quando mudam de direção. A versão reduzida de Cushing dispara um poderoso laser para forçar os elanãtrons a mudar de direção e emitir raios-X. Os raios X, então, mostram aos pesquisadores como os elanãtrons transportam voltagem atravanãs das camadas ultrafinas de um dispositivo. Isso écrucial para a pesquisa de combusta­veis solares, diz Cushing. “Nosso grande objetivo étentar medir essas reações desde o momento em que um material absorve a luz solar pela primeira vez atéque o produto, um combusta­vel solar, seja feito.” Uma vez que a fotossa­ntese artificial comea§a em uma escala de tempo de femtossegundos, ou um quatrilionanãsimo de segundo,

A necessidade de instrumentos de alta precisão, incluindo os sistemas de caracterização de alto rendimento de Gregoire e caracterização optoeletra´nica ultrarrápida no LBNL, éuma das muitas razões pelas quais o JCAP éuma colaboração de pesquisadores de instituições cienta­ficas em todo o estado, diz Frances Houle (PhD '79) do LBNL, que atua como vice-diretor do JCAP para integração de ciência e pesquisa. Além dos instrumentos de laboratório, diz ela, o sucesso desta pesquisa depende dos grandes ananãis sa­ncrotron do LBNL e do SLAC.  

O foco de Houle em reunir as muitas partes do JCAP exige que ela também se concentre em outro desafio: levar os frutos da colaboração para o "mundo real". Afinal, quando os combusta­veis solares algum dia puderem ser fabricados em escala industrial, eles não sera£o feitos usando simples configurações de teste em um laboratório de pesquisa. Os cientistas do JCAP estãoaprendendo a trabalhar em escalas maiores, testando como seus materiais reagem em condições operacionais reais, que incluira£omudanças no fluxo de luz, temperatura e umidade. Os materiais de Gregoire “acabara£o por ser capazes de permanecer no deserto e trabalhar por uma a três décadas”, diz ele.

“Vocaª simplesmente não pode fazer avanços tecnola³gicos sem ter uma plataforma cienta­fica muito profunda para trabalhar”, diz Houle.

Rasgar águaou dia³xido de carbono em suas partes constituintes éapenas metade da batalha. Os cientistas então precisam combinar essas pea§as para fazer um combusta­vel, o que traz um novo conjunto de desafios qua­micos. 

“Os fabricantes de aviaµes estãointeressados ​​nisso porque sabem que não hácomo eletrificar suas frotas em um prazo razoa¡vel que vai dobrar a curva para asmudanças climáticas”, disse Atwater. “Então, se eles va£o causar um impacto no clima, serápor meio de combusta­veis solares.”

As esperanças da indústria dependem em parte do trabalho que estãosendo feito no segundo andar de Jorgensen, onde uma equipe de pesquisadores liderada pelos professores de química Jonas Peters e Theo Agapie (PhD '07) experimenta novas ta¡ticas para lidar com o problema da criação de carbono maºltiplo ta­tulos. Normalmente, Agapie diz, quebrar o dia³xido de carbono deixa para trás compostos de carbono aºnico, como mona³xido de carbono e a¡cido fa³rmico. Construir compostos de multicarbono, como os encontrados na gasolina e outros produtos químicos de interesse, requer etapas adicionais, e essas etapas requerem o tipo certo de eletrodo, um condutor que carrega carga elanãtrica em materiais não meta¡licos como o dia³xido de carbono.

Os cientistas descobriram que a carga transportada pelos eletrodos de cobre, quando aplicada a uma solução de dia³xido de carbono, pode criar as ligações carbono-carbono desejadas. O problema éque isso não pode ser feito “seletivamente”, que éa maneira de um qua­mico dizer que, junto com as ligações carbono-carbono, a reação cria uma sanãrie de moléculas estranhas também. Para resolver esse problema, nos últimos anos, a equipe de Agapie e Peters foi pioneira em uma maneira de fazer crescer um filme orga¢nico sobre um eletrodo de cobre por meio de eletra³lise (a aplicação de corrente elanãtrica direta para conduzir reações químicas); aquele eletrodo pode então conduzir a conversão de CO2 em produtos com dois ou três a¡tomos de carbono ligados com muito poucos subprodutos indesejáveis.

Além de liderar o JCAP, Atwater lidera uma das quatro principais iniciativas do Resnick Sustainability Institute (RSI) da Caltech , um esfora§o chamado Sunlight to Everything. a‰ uma frase apropriada, diz ele. Os processos químicos ba¡sicos e novos materiais descobertos durante esta década de esforços JCAP estabeleceram as bases para a próxima fase da pesquisa de combusta­veis solares, que incluira¡ materiais mais acessa­veis e esforços para testar prota³tipos em condições do mundo real, dando a  indústria novos pontos de partida para soluções de sustentabilidade de amanha£. Pesquisas futuras também se concentrara£o em apreender CO2 de fontes como gás de combustão de usinas ou captura¡-lo da atmosfera ou da águado mar e usa¡-lo para reações de combusta­veis solares.

Para que os combusta­veis solares sejam produzidos em na­veis aºteis para a sociedade e a indaºstria, os pesquisadores devem continuar a encontrar melhores materiais fotoativos, catalisadores mais eficientes e novas maneiras de construir combusta­veis nonívelmolecular. Essa busca energiza Atwater. “Digo aos meus alunos: quando comecei como estudante de graduação, a energia solar fotovoltaica estava no mesmo esta¡gio de desenvolvimento que os combusta­veis solares estãohoje”, diz ele. “Durante minha vida profissional, vi a energia solar fotovoltaica crescer de algo que era feito como uma curiosidade em laboratórios de pesquisa para uma indústria global que estãotendo um impacto na transformação de energia do mundo.”

Os combusta­veis solares tem a mesma promessa. E como a equipe do JCAP bem sabe, esse tipo de mudança tecnologiica comea§a com, e requer, pesquisa ba¡sica.

“Estamos focados na ciência fundamental e reconhecemos que essa ciência fundamental tera¡ implicações de amplo alcance”, diz Jaramillo. “A tabela peria³dica énosso playground.”