A medida que los encargados de la formulación de políticas se vuelcan cada vez más hacia la ciencia para abordar el cambio climático mundial, un científico de la Universidad del Estado de Michigan está mirando a la naturaleza para desarrollar la próxima generación de tecnología de energía solar.
El profesor James McCusker, del Departamento de Química de la Fundación MSU, cree que el futuro de la energía solar está en la abundancia de materiales escalables diseñados para imitar y mejorar los sistemas de conversión de energía que se encuentran en la naturaleza.
En un nuevo e innovador estudio publicado en Nature, McCusker revela un novedoso proceso que permite que las moléculas digan a los científicos cómo deben ser modificadas para absorber y convertir mejor la energía solar. El método utiliza una propiedad molecular conocida como coherencia cuántica (quantum coherence) donde los diferentes aspectos de una molécula están sincronizados, como cuando el intermitente de tu coche parpadea al unísono con el del coche que tienes delante. Los científicos creen que la coherencia cuántica puede jugar un papel en la fotosíntesis natural.
“En nuestro trabajo es la primera vez que alguien ha intentado utilizar activamente la información obtenida de la coherencia cuántica como una guía – una hoja de ruta – para sugerir cuáles son los aspectos más importantes de la estructura de una molécula que contribuyen a una propiedad determinada”, dijo McCusker.
“Estamos usando una ciencia sofisticada que proporciona los medios para que la naturaleza nos enseñe en qué debemos centrarnos en el laboratorio”, siguió comentando el Sr. McCusker.
La luz solar, aunque abundante, es una fuente de energía de baja densidad. Para recoger cantidades significativas de energía se necesitan mayores cantidades de espacio. Sin embargo, los materiales más eficaces que se utilizan hoy en día para la conversión de la energía solar, como el rutenio, son algunos de los metales más raros de la Tierra. Las futuras tecnologías de energía solar deben poder ampliarse con métodos más eficientes y baratos de conversión de energía.
“Cuando doy charlas sobre la ciencia de la energía en las escuelas universitarias o al público en general, digo medio en broma que hay muchas hojas en los árboles por una razón”, dijo McCusker.
“Bueno, hay muchas hojas por una razón: La captura de la luz es un problema intensivo en materiales debido a la (relativamente) baja densidad de energía de la luz solar. La naturaleza resuelve este problema produciendo muchas hojas”.
Los compuestos absorbentes de luz en los métodos sintéticos comunes para la fotosíntesis artificial hacen uso de los estados moleculares excitados que se producen después de que una molécula absorbe la energía de la luz solar.
La absorción de la energía de la luz existe el tiempo suficiente para ser utilizada en reacciones químicas que dependen de la capacidad de mover electrones de un lugar a otro. Una posible solución es encontrar materiales más comunes que puedan lograr el mismo resultado.
“El problema de cambiar (de los metales raros de la Tierra) a algo que abunde en la Tierra como el hierro – donde el problema de la escalabilidad desaparece – es que los procesos que permiten convertir la luz solar absorbida en energía química son fundamentalmente diferentes en estos materiales más ampliamente disponibles”, dijo McCusker.
Figura 1. James K. McCusker, profesor de química de la MSU. Foto de G.L. Kohuth.
El estado de excitación producido por la absorción de energía lumínica en un compuesto a base de hierro, por ejemplo, decae demasiado rápido para permitir su uso de manera similar.
Al golpear una molécula con un estallido de luz que duraba menos de una décima de una trillonésima de segundo, McCusker y sus estudiantes podían observar la interconexión entre el estado de excitación de la molécula y su estructura, lo que les permitía visualizar cómo se movían los átomos de la molécula durante la conversión de la energía solar en energía química.
“Una vez que tuvimos una imagen de cómo ocurrió este proceso, el equipo utilizó esa información para modificar sintéticamente la molécula de tal manera que se redujera la velocidad del proceso”, dijo McCusker.
“Este es un objetivo importante que debe ser alcanzado si este tipo de cromóforos – una molécula que absorbe longitudes de onda particulares de luz visible y son responsables del color de un material – van a encontrar su camino en las tecnologías de energía solar”.
“La investigación demuestra que podemos utilizar este fenómeno de coherencia cuántica para enseñarnos qué tipo de cosas podríamos necesitar incorporar en la estructura molecular de un cromóforo que utiliza más materiales de la tierra para permitirnos utilizar la energía almacenada en la molécula al absorber la luz para una amplia gama de aplicaciones de conversión de energía”, explico McCusker.
Para McCusker, este avance acelerará el desarrollo de nuevas tecnologías, “eliminando gran parte del ensayo y error que se produce en los esfuerzos científicos, diciéndonos desde el principio qué tipo de sistema debemos diseñar”.
¿Y ahora qué? “¿Qué tal una celda solar basada en trozos de pintura y óxido?” McCusker dijo. “Aún no hemos llegado a eso, pero la idea detrás de esta investigación es usar la coherencia cuántica para aprovechar la información que la molécula ya posee y luego usar esa información para cambiar las reglas del juego”.
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