Beca d’investigació científica per a una alumna de 4t d‘ESO

L’alumna Clara Castelló Santacruz, de quart d’ESO de l’Escola IPSI, ha guanyat una beca d’investigació i ha estat seleccionada per participar en la setzena edició del Programa Joves i Ciència de la Fundació Catalunya – La Pedrera. Dels més de 8000 alumnes que van presentar la sol·licitud, només 50 han estat escollits després de passar diverses proves eliminatòries.

La Clara participarà en el projecte “De la fotosíntesi natural a l’artificial: a la recerca de nous combustibles”.

La crisi climàtica derivada de l’ús de combustibles fòssils i l’associat  augment de les emissions de CO2 fa cada vegada més urgent trobar combustibles sostenibles i renovables. Els científics i científiques han demostrat que la fotosíntesi artificial és capaç d’obtenir combustible a partir de l’aigua i la llum del sol, però l’eficiència del procés encara és baixa i cal trobar nous materials per dur-lo a terme. En aquest projecte els participants descobriran com copiar la fotosíntesi natural al laboratori i quines són les tècniques que hauran de dominar per crear una fulla artificial que sigui capaç de produir combustible sostenible. L’objectiu és minvar l’impacte sobre el planeta trobant solucions més eficients que la natura.

El projecte està liderat per investigadors de la Universitat Jaume I (Espanya), Universitat de Cambridge (UK), Universitat Autònoma de Barcelona (Catalunya), l’Imperial College London (Regne Unit) i l’Institut de Ciències Fotòniques (Catalunya). El projecte es desenvoluparà en anglès.

Què aprendrà la Clara?

Actualment el nostre planeta viu la pitjor crisi climàtica de la història degut a les emissions massives de CO2 a l’atmosfera. Aquest CO2 prové de la combustió dels combustibles fòssils (petroli, gasolina, gas natural…) que utilitzem per obtenir energia. L’augment de concentració de gasos hivernacle com el CO2 provoca l’escalfament de la terra i, com a conseqüència, el nivell del mar està pujant i els períodes de sequeres mundials augmenta. Tot plegat fa urgent el desenvolupament d’energies renovables i sostenibles.

Si observem el nostre entorn podem veure com les plantes són capaces de crear la seva pròpia energia a partir de la llum solar, l’aigua i el CO2. La fotosíntesi artificial és un procés químic que té com a objectiu imitar les plantes i obtenir combustible a partir de la llum solar i l’aigua a través de  la reacció de separació de l’aigua, en la que obtenim hidrogen com a combustible. Alternativament, el CO2 també es pot fer servir per produir combustibles a base de carboni.

La separació de l’aigua no és una reacció que succeeixi espontàniament a la natura, sinó no tindríem aigua als mars i als rius, Per tant, per fer-la possible hem d’utilitzar sistemes molt complexos capaços de captar la llum solar i així aconseguir trencar els enllaços de la molècula de l’aigua per generar oxigen i hidrogen. L’ús d’hidrogen com a combustible permet l’obtenció de vapor d’aigua com a única emissió després de l’obtenció de l’energia.

Tot i aquests avantatges, l’eficiència d’aquesta reacció de separació de l’aigua encara és baixa i no existeix cap sistema capaç de dur-la a terme amb la perfecció requerida. Per tal d’avançar, és necessari trobar nous sistemes i descobrir en quin dels múltiples passos d’aquesta reacció complexa es perd l’eficiència que limita el procés. El repte és molt complicat i requereix una generació de científics i científiques amb coneixements de física, química i ciències de materials preparats per afrontar-lo.

L’objectiu principal del projecte és descobrir i estudiar les eines teòriques i pràctiques necessàries per a la recerca de nous catalitzadors capaços d’imitar els processos i reaccions que tenen lloc durant la fotosíntesi natural. En definitiva, familiaritzar-nos amb tot allò que necessitem per sintetitzar un catalitzador més eficient que la natura.

En aquest projecte, primer estudiaran les reaccions químiques que ocorren quan les plantes duen a terme la fotosíntesi. Faran una sortida pels voltants del centre de MónNatura Pirineus i mesuraran l’eficiència de la fotosíntesi de diferents arbres i plantes del Pirineu. Estudiaran els tres processos bàsics que es necessiten per transformar l’aigua en un combustible: l’absorció de llum, la conversió d’energia i la catàlisi.

Després aniran al laboratori per sintetitzar catalitzadors que duran a terme la fotosíntesi artificial. Investigaran dos tipus de catalitzadors: aquells que s’activen mitjançant reaccions electroquímiques (redox) i els que funcionen quan s’irradien amb llum (fotocatalitzadors). Compararan l’eficiència dels nostres catalitzadors amb la fotosíntesi natural i podran veure quins són els més eficients. Per entendre les limitacions d’aquests processos, i així poder-los millorar, es familiaritzarà amb diferents tècniques científiques emprades per estudiar aquests catalitzadors, com els rajos-X o l’espectroscòpia amb làsers. Això permetrà dissenyar i preparar nous catalitzadors per fer-los més eficients.

També construiran aparells de mesura per analitzar l’eficiència dels catalitzadors: un sistema de làsers amb LEGOs permetrà avaluar-ne les propietats òptiques, i programaran el software amb el sistema Raspberry Pi. Finalment, estudiaran com fer servir el combustible obtingut amb l’aigua amb una ‘fuel cell’. Fins i tot, faran una competició amb “hydrocars” per veure qui obté el millor rendiment!

Finalment, i respecte a anys anteriors, realitzaran una activitat pràctica de síntesi de catalitzadors basats en carboni i el seu ús en la fotodegradació de plàstics i residus alimentaris. A més a més, tindran una conferència amb una persona experta que analitzarà l’economia de l’hidrogen des d’un punt de vista tecnoeconòmic.

El projecte de fotosíntesi artificial està enfocat en les assignatures de química, física i enginyeria, combinant el treball de camp i les pràctiques de laboratori. En aquest projecte estudiaran les reaccions químiques induïdes per la llum (una disciplina anomenada fotoquímica), les reaccions electroquímiques (redox) i els conceptes de catàlisi i nanotecnologia. En definitiva, el projecte els donarà les eines per iniciar-se en aquesta recerca.

En resum, els esperen dues setmanes ben intenses i divertides en les quals adquiriran les competències necessàries per a convertir-se en científics.

Els cinquanta estudiants seleccionats tenen l’oportunitat de viure una experiència única participant en un dels cinc projectes de recerca científica proposats en la primera fase, que es desenvoluparà entre finals de juny i mitjans de juliol a Món Natura Pirineus, a Planes de Son (Pallars Sobirà). A cada projecte hi participaran deu estudiants.

El Programa Joves i Ciència no acaba amb les estades científiques a Món Natura Pirineus, sinó que té una continuïtat durant els dos anys posteriors, amb les estades al centre de recerca i les estades de recerca internacional. Aquestes dues fases tenen l’objectiu de seguir acostant els estudiants a la ciència, ja sigui fent una estada en un centre de recerca o en un programa internacional de ciència.

Per poder formar part de la segona fase del programa, els estudiants hauran d’escriure un article científic durant el primer trimestre de 1r de Batxillerat. La qualitat d’aquest treball serà determinant per obtenir un plaça a la següent fase del programa. 

Durant l’estiu de 1r a 2n de Batxillerat, els estudiants seleccionats a la primera fase del programa podran continuar tenint experiències en investigació científica en un centre de recerca local. L’objectiu d’aquesta segona fase és que cada estudiant s’incorpori a un equip d’investigació d’un laboratori científic, on podrà treballar amb professionals de primer nivell i en grups de recerca internacionals.

Aquesta fase també inclou una única opció d’estada de recerca internacional amb places reservades per als estudiants del Programa Joves i Ciència en un prestigiós programa de ciència; així com la possibilitat de sol·licitar plaça i entrar en el procés de selecció d’alguns programes internacionals de ciència recomanats per la Fundació. 

Com a requisit per accedir a aquesta etapa del programa, caldrà haver escrit un article científic i cursar el batxillerat científic i/o tecnològic.

En la tercera i última fase del programa els estudiants hauran de buscar pel seu compte un projecte de recerca a desenvolupar durant l’estiu de 2n de Batxillerat, ja sigui en un centre d’investigació o en un programa de ciència. L’objectiu d’aquesta fase és que siguin els propis estudiants els qui busquin un projecte de recerca en el qual treballar que s’ajusti a les seves preferències i interessos científics. Tot i que el propòsit d’aquesta fase és que els estudiants cerquin oportunitats de recerca a nivell internacional, també s’admetrà la possibilitat de realitzar una estada local en un centre o institució on l’estudiant hi tingui un interès en particular.

Com a última opció, el Programa Joves i Ciència oferirà als estudiants un nombre de places reservades limitades per participar en un programa internacional de ciència o incorporar-se en un equip d’investigació d’un centre de recerca internacional durant aquesta fase; així com la possibilitat de sol·licitar plaça i entrar en el procés de selecció d’alguns programes internacionals de ciència, recomanats per la Fundació.

Des de l’Escola estem convençuts que la Clara traurà un molt bon profit d’aquesta experiència que comença aquest curs i que finalitzarà poc abans de començar els seus estudis universitaris. La seva participació en el projecte de Joves i Ciència ens fa molta il·lusió i la volem compartir amb ella i amb el seu entorn.

Aquí podeu llegir més sobre alumnes d’IPSI que han estat becats.