Cada día despegan más de cien mil vuelos en todo el mundo. Detrás de ese movimiento continuo de personas y mercancías hay un costo invisible: la aviación y el transporte marítimo generan cerca del 8 % de las emisiones globales de dióxido de carbono, y esa proporción podría aumentar conforme crecen el turismo y el comercio internacional. A diferencia de los automóviles, que ya pueden funcionar con energía eléctrica, los aviones comerciales no pueden simplemente sustituir sus motores por baterías. Las distancias que recorren y la enorme cantidad de energía que requieren hacen que esta opción sea, al menos por ahora, inviable. Sin embargo, la ciencia está desarrollando una alternativa inspiradora: producir combustibles líquidos a partir del aire, del agua y de la luz del Sol.
Estos combustibles, conocidos como combustibles solares, son químicamente iguales al queroseno o al diésel que usan los aviones, pero se fabrican a partir de agua y dióxido de carbono capturado del aire, utilizando energía solar concentrada como fuente de calor. De esta manera, el carbono que se libera al quemarlos es exactamente el mismo que se capturó para producirlos, lo que crea un ciclo cerrado y verdaderamente sostenible.
El corazón de este proceso está en la división del agua y del dióxido de carbono, reacciones que permiten obtener hidrógeno y monóxido de carbono, los componentes esenciales para fabricar combustibles sintéticos. Esto se logra mediante los llamados ciclos termoquímicos solares, un método que divide la transformación en dos etapas controladas y utiliza materiales especiales conocidos como óxidos metálicos. Estos compuestos poseen una propiedad singular: pueden liberar y volver a incorporar oxígeno en su estructura cristalina de manera reversible.
Como se muestra en la Figura 1, en la primera etapa (denominada reducción), el óxido metálico se calienta con energía solar concentrada hasta alcanzar temperaturas cercanas a 1 500 °C. A esa temperatura, parte de los átomos de oxígeno se separa del material y se libera como gas, dejando en el sólido pequeños espacios donde antes se encontraban. El material queda así en un estado reducido, listo para reaccionar en el siguiente paso.
En la segunda etapa, conocida como oxidación, el material reducido se expone al vapor de agua y al dióxido de carbono. Al entrar en contacto con el sólido, las moléculas de agua y de CO₂ se dividen: los átomos de oxígeno se incorporan a la estructura del óxido, ocupando los espacios vacíos que quedaron libres en la primera etapa, liberándose, así como productos el hidrógeno (H₂) y monóxido de carbono (CO). La mezcla resultante, conocida como gas de síntesis o syngas, es el puente que conecta la energía solar con la producción de combustibles líquidos. El material sólido, por su parte, vuelve a su estado original y puede repetir el ciclo innumerables veces sin degradarse. En conjunto, este proceso convierte directamente la energía térmica del Sol en energía química, almacenada en los gases producidos.
Para alcanzar las altas temperaturas necesarias para las reacciones del ciclo, se utiliza una tecnología renovable basada en energía solar térmica por concentración (Figura 2). Esta técnica aprovecha la radiación del Sol como fuente directa de calor y, entre sus variantes, la más empleada en sistemas a gran escala es la tecnología de torre central, capaz de alcanzar las temperaturas necesarias para la reacción. En este tipo de planta, cientos de espejos móviles, llamados heliostatos, siguen el movimiento del Sol y reflejan su luz hacia un punto focal situado en la parte superior de una torre. Allí se encuentra el reactor solar, diseñado para recibir y aprovechar la radiación concentrada, como se muestra en la Figura 2.
El reactor solar, ubicado en la parte superior de la torre central (Figura 2), consiste en una cavidad aislada térmicamente, con una pequeña apertura frontal cubierta por una ventana de cuarzo, que permite el ingreso de la radiación solar concentrada y mantiene sellada la cámara del aire. Su geometría favorece una absorción eficiente del calor mediante múltiples reflexiones internas. En el interior se coloca el óxido metálico en una estructura reticulada porosa, cuya doble porosidad (milimétrica y micrométrica) optimiza la transferencia de calor y de masa durante las etapas de reducción y oxidación.
Para lograr una operación continua, los sistemas más avanzados emplean dos reactores que trabajan de forma alternada: mientras uno recibe la radiación solar y libera oxígeno (reducción), el otro permanece fuera del haz solar y reacciona con vapor de agua y CO₂, produciendo gas de síntesis (H₂ + CO). Este gas constituye el puente entre la energía solar y la producción de combustibles líquidos. Al completar el ciclo, los heliostatos redirigen la radiación hacia el segundo reactor, lo que permite un funcionamiento secuencial y sin interrupciones.
El gas de síntesis resultante se transforma luego en combustibles líquidos mediante la síntesis Fischer–Tropsch, en la que el hidrógeno y el monóxido de carbono reaccionan para formar hidrocarburos como queroseno, diésel o gasolina sintética. Estos combustibles son compatibles con los motores actuales, pero con la ventaja de no aumentar la emisión de CO₂ en la atmósfera. Además, al carecer de azufre y de compuestos aromáticos, reducen las emisiones de hollín y la formación de estelas de condensación, disminuyendo así el impacto climático de los vuelos.
En México, estos avances también se investigan a nivel experimental. Un ejemplo destacado es el prototipo de reactor solar desarrollado en el Centro de Investigaciones en Óptica (CIO), diseñado para reproducir las condiciones termoquímicas necesarias para generar los gases precursores de combustibles solares. Este reactor fue diseñado para operar a temperaturas de hasta 1500 °C y está acoplado al simulador solar de 17.5 kWe de la Unidad Aguascalientes del CIO, lo que permite un control más preciso de la energía incidente y la simulación de las etapas de reducción y oxidación, a diferencia de los sistemas que dependen directamente de la radiación solar y que están sujetos a variaciones por nubosidad y cambios en la irradiancia a lo largo del día. En este prototipo se han realizado pruebas de producción de hidrógeno (H₂) y monóxido de carbono (CO) empleando distintos materiales reactivos. En la Figura 3, a la izquierda, se muestra el sistema montado sobre la mesa de experimentos junto al tablero de instrumentación, donde se monitorean la temperatura, la presión y los flujos de gas; a la derecha, se observa el reactor en operación frente al simulador solar, equipado con filtros que atenúan la intensidad del haz para permitir una observación segura.
A pesar de los avances, aún existen desafíos importantes por resolver antes de que los combustibles solares lleguen a los aeropuertos. Lo principal es aumentar la eficiencia con la que la energía solar se convierte en energía química, que hoy apenas alcanza el 5 %. Para mejorarla, los investigadores buscan recuperar el calor entre las dos etapas del ciclo, desarrollar materiales que reaccionen más rápido y soporten más ciclos sin degradarse, y diseñar estructuras cerámicas que absorban la radiación solar de manera más uniforme. Si se supera la barrera del 10 % de eficiencia, la producción de combustibles solares podría resultar económicamente viable.
El resultado final de este proceso es un combustible líquido que se comporta igual que el convencional, pero que no añade nuevo carbono al planeta. Su combustión libera CO₂, sí, pero ese mismo gas fue previamente capturado del aire para fabricarlo. Por ello, se le llama combustible neutro en carbono. En el futuro, un avión que despegue con queroseno solar podría recorrer miles de kilómetros impulsado por la energía del Sol y aterrizar sin contribuir al calentamiento global.
Referencias:
Muhich, C. L., Ehrhart, B. D., Al-Shankiti, I., Ward, B. J., Musgrave, C. B., & Weimer, A. W. (2015). A review and perspective of efficient hydrogen generation via solar thermal water splitting. WIREs Energy Environ. https://doi.org/10.1002/wene.174
Schäppi, R., Rutz, D., Dähler, F., Muroyama, A., Haueter, P., Lilliestam, J., Patt, A., Furler, P., & Steinfeld, A. (2021). Drop-in fuels from sunlight and air. Nature, 600, 705–709. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04174-y