Llegar a Marte es solo una parte del problema. Regresar es otra misión completamente distinta. Una expedición tripulada necesitaría transportar desde la Tierra grandes cantidades de combustible, una carga que incrementaría el peso, el coste y la complejidad de cualquier lanzamiento. Por eso la exploración marciana lleva años estudiando una idea esencial: utilizar los recursos disponibles en el propio planeta para fabricar allí lo que una nave necesitará después.
En ese contexto encaja el trabajo publicado en ACS Catalysis por investigadores de la Universidad de Mississippi y Texas A&M University. El estudio presenta un catalizador de cobre formado por nanoclústeres de cobre de tamaño subnanométrico situados sobre estructuras de cobre-nitrógeno, capaces de favorecer la conversión electroquímica de dióxido de carbono en metano.
El resultado no significa que ya pueda fabricarse combustible para cohetes en Marte. Es un avance de laboratorio. Pero aborda una dificultad concreta que puede resultar determinante cuando no exista la infraestructura industrial disponible en la Tierra: cómo conseguir metano suficientemente selectivo y puro sin generar una mezcla difícil de separar.
La atmósfera de Marte está compuesta aproximadamente por un 96% de dióxido de carbono. Eso convierte al CO₂ en uno de los recursos más abundantes y accesibles del planeta rojo. El desafío consiste en transformar una molécula químicamente estable y pobre en energía en otra que pueda almacenar energía y utilizarse como combustible.
El metano, CH₄, resulta especialmente interesante. No solo es un combustible energético; también puede utilizarse como componente del sistema de propulsión de una misión marciana. La estrategia de utilización de recursos in situ (ISRU) busca precisamente evitar que todos los consumibles tengan que viajar desde la Tierra.
La química básica exige, además, resolver otra parte del problema. Para un sistema de propulsión basado en metano y oxígeno hacen falta ambos componentes. La reacción Sabatier ya constituye una referencia para producir metano a partir de CO₂ e hidrógeno, mientras que el oxígeno puede obtenerse mediante electrólisis del agua. El estudio de ACS Catalysis explora una vía electroquímica diferente para producir directamente metano a partir del CO₂.
La cuestión, por tanto, no es simplemente si se puede transformar CO₂ en metano, algo que ya se sabe hacer. La dificultad está en hacerlo con suficiente velocidad, eficiencia, estabilidad y selectividad como para que el procedimiento resulte útil en un entorno donde cada kilogramo de equipo y cada kilovatio de energía cuentan.
La importancia de un catalizador de cobre a escala atómica
Los investigadores desarrollaron una arquitectura en la que pequeños grupos de átomos de cobre, de apenas unos pocos átomos, quedan anclados sobre estructuras de cobre coordinadas con nitrógeno dentro de un material de carbono dopado con nitrógeno. El modelo que mejor funcionó corresponde aproximadamente a dominios Cu₃-CuN₄.
¿Por qué importa que sean tan pequeños? En el ámbito de la catálisis, la geometría y el entorno electrónico de los átomos determinan con precisión qué moléculas se forman. Mientras que una superficie de cobre convencional puede generar una mezcla de diferentes productos al intentar reducir electroquímicamente el CO₂ —como monóxido de carbono, etileno y alcoholes junto al metano—, el control a escala atómica permite dirigir la reacción de manera mucho más selectiva.
Eso supone un inconveniente particularmente serio en Marte. En una planta química terrestre es posible disponer de múltiples etapas de separación y purificación. Una misión marciana no puede dar por supuesto que tendrá una infraestructura equivalente.
El objetivo del nuevo diseño es, precisamente, orientar la reacción hacia el metano y reducir los productos secundarios. El proceso utiliza electricidad para impulsar la reducción electroquímica del CO₂. El catalizador facilita determinadas etapas de la reacción y modifica las condiciones energéticas que favorecen unas rutas químicas frente a otras.
El trabajo combina experimentos, técnicas espectroscópicas y cálculos de teoría del funcional de la densidad —DFT— para estudiar qué estructuras de cobre ofrecen mejores resultados. Los investigadores encontraron que los pequeños nanoclústeres de cobre, combinados con los centros Cu-N, pueden funcionar de manera complementaria.
En términos simplificados, los centros Cu-N favorecen la activación del CO₂ y la formación de CO, mientras que los pequeños grupos de cobre próximos facilitan las etapas posteriores de hidrogenación que conducen al CH₄. Esa especie de arquitectura catalítica en tándem ayuda a evitar que el CO simplemente abandone la superficie como producto final.
El resultado es una cuestión de selectividad: no se trata únicamente de producir metano, sino de conseguir que una proporción cada vez mayor de la electricidad utilizada termine generando el producto deseado.
Menos subproductos: la clave para Marte
El mejor catalizador estudiado, preparado mediante pirólisis a 550 °C, alcanzó una eficiencia farádica para el metano de aproximadamente 53% a 400 mA/cm² utilizando electrólisis pulsada. La corriente parcial asociada al metano llegó a unos 321 mA/cm², mientras que el conjunto de otros productos de reducción de CO₂ quedó por debajo del 4%. En operación estática, el sistema mantuvo alrededor de un 46% de selectividad hacia el metano a 800 mA/cm².
Son cifras relevantes porque muestran que el catalizador no depende únicamente de funcionar a velocidades de reacción muy bajas. Sin embargo, tampoco deben confundirse con el rendimiento de una futura planta de combustible marciana.
Aunque todavía queda una distancia considerable entre un reactor experimental y un sistema capaz de producir toneladas de propelente en otro planeta, la reducción de subproductos sí resuelve una cuestión práctica fundamental. Cuanto más selectiva sea la reacción, menos trabajo habrá que dedicar posteriormente a separar y purificar el metano; una ventaja que en la Tierra puede parecer simplemente una cuestión de eficiencia industrial, pero que en Marte puede convertirse en una condición estricta de viabilidad.
El interés de esta tecnología no reside únicamente en obtener una molécula de metano. El verdadero valor está en cambiar la logística de una misión. Transportar combustible desde la Tierra significa lanzarlo contra la gravedad terrestre, llevarlo durante millones de kilómetros y aterrizarlo en Marte. Cada kilogramo adicional tiene consecuencias sobre el diseño de los vehículos, la energía necesaria para el lanzamiento y la capacidad disponible para otros sistemas.
Esta estrategia ya tiene precedentes, pues la NASA ha desarrollado tecnologías para generar oxígeno a partir del dióxido de carbono marciano, convirtiendo la producción local de propelentes en uno de los pilares de los conceptos actuales de exploración humana del planeta rojo. El nuevo catalizador encajaría en esa arquitectura como una posible herramienta para transformar el CO₂ atmosférico en metano.
Sin embargo, el CO₂ marciano no se convierte espontáneamente en combustible. La reacción necesita electricidad y otros recursos, además de un sistema capaz de mantener las condiciones adecuadas de operación. Eso significa que el catalizador no elimina el problema energético: lo desplaza hacia la infraestructura que debe alimentar el proceso.
Una futura instalación marciana necesitaría generar electricidad de manera fiable, comprimir o gestionar gases, controlar temperaturas y presiones, mantener el reactor durante largos periodos y almacenar el metano producido. También tendría que resistir polvo, radiación, temperaturas extremas y una atmósfera radicalmente diferente de la terrestre.
Los propios investigadores también señalan que su siguiente objetivo es modificar la estructura del catalizador y el entorno local de reacción para mejorar la actividad, la selectividad hacia el metano y la estabilidad a largo plazo. @mundiario