Una nueva tecnología fotovoltaica se repara a sí misma

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Dispositivo de ensayo que mide las propiedades del sistema fotosintético autoensamblable. Imagen: Patrick Gillooly/MIT.

Las plantas son buenas haciendo algo que los científicos y los ingenieros llevan décadas esforzándose por lograr: convertir la luz del sol en energía almacenada y hacerlo, además, de forma fiable día tras día y año tras año. Ahora, algunos científicos del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) han conseguido imitar un aspecto clave de ese proceso.

Uno de los problemas que tiene la captación de luz solar es que los rayos de sol pueden ser enormemente dañinos para muchos materiales. La luz solar provoca una degradación paulatina de muchos de los sistemas desarrollados para utilizarla. Pero las plantas han adoptado una estrategia interesante para hacer frente a ese problema. Desintegran continuamente las moléculas que capturan la luz y las vuelven a ensamblar desde el principio, de modo que las estructuras básicas que capturan la energía del sol siempre son, de hecho, completamente nuevas.

Ahora, ese proceso lo han imitado Michael Strano, titular de la cátedra adjunta de ingeniería química Charles y Hilda Roddey, y su equipo de investigadores y estudiantes de posgrado. Los investigadores han creado un novedoso conjunto de moléculas autoensamblables capaces de convertir la luz solar en electricidad. Estas moléculas pueden desintegrarse una y otra vez y luego volver a ensamblarse rápidamente con solo añadir o retirar una solución adicional. El artículo que han escrito sobre este trabajo se ha publicado el 5 de septiembre en Nature Chemistry.

Strano cuenta que la idea se le ocurrió por primera vez mientras leía acerca de la biología vegetal. “Me quedé realmente impresionado por el modo en que las células vegetales emplean este mecanismo de reparación extremadamente eficiente”, afirma. Expuesta a la luz solar intensa del verano, “una hoja de un árbol recicla sus proteínas cada 45 minutos, aun cuando uno pueda pensar en ella como en una fotocélula estática”.

El uso de “nanocomponentes”

Uno de los objetivos a largo plazo de las investigaciones de Strano ha sido encontrar modos de imitar los principios que se encuentran en la naturaleza utilizando “nanocomponentes”. En el caso de las moléculas que intervienen en la fotosíntesis de las plantas, la forma reactiva del oxígeno que se genera por acción de la luz solar hace que las proteínas se descompongan de un modo muy concreto. Según lo describe Strano, el oxígeno “suelta una correa que mantiene unida la proteína”, pero esas mismas proteínas vuelven a ensamblarse rápidamente para que se repita el proceso.

Esta acción tiene lugar dentro de unas diminutas cápsulas llamadas cloroplastos que se encuentran en todas las células vegetales (y que son el lugar donde se lleva a cabo la fotosíntesis). El cloroplasto es “una máquina asombrosa”, dice Strano. “Son unos extraordinarios motores que consumen dióxido de carbono y utilizan la luz para producir glucosa”, un compuesto químico que proporciona energía para el metabolismo.

Para imitar ese proceso, Strano y su equipo, ayudados por subvenciones de la Iniciativa sobre Energía del MIT y el Departamento de Energía, fabricaron unas moléculas sintéticas llamadas fosfolípidos que forman discos; estos discos proporcionan un soporte estructural a otras moléculas que son las que realmente reaccionan a la luz, dentro de estructuras llamadas centros de reacción, que liberan electrones cuando son golpeadas por las partículas de la luz.

Los discos, que llevan en su interior los centros de reacción, se encuentran en una solución en la que se unen espontáneamente a nanotubos de carbono (tubos huecos similares a cables de átomos de carbono que tienen un grosor de unas pocas milmillonésimas de metro, aunque son más fuertes que el acero y pueden conducir la electricidad mil veces mejor que el cobre). Los nanotubos mantienen los discos de fosfolípidos uniformemente alineados, de modo que todos los centros de reacción puedan exponerse a la luz solar a la vez, y también actúan como cables que recogen y canalizan el flujo de electrones que van liberando las moléculas reactivas.

El sistema creado por el equipo de Strano está formado por siete compuestos diferentes, incluidos los nanotubos de carbono, los fosfolípidos y las proteínas que constituyen los centros de reacción que, en las condiciones adecuadas, se ensamblan espontáneamente para formar una estructura que recoge la luz y genera una corriente eléctrica. Strano asegura que cree que esto establece un récord en cuanto a la complejidad de un sistema autoensamblable.

Cuando a la mezcla se le añade un agente tensioactivo (en esencia, similar a los compuestos químicos que BP ha vertido en el Golfo de México para disolver el petróleo), los siete componentes pueden separarse y formar una solución parecida a una sopa. Luego, cuando los investigadores retiran el agente tensioactivo haciendo pasar la solución a través de una membrana, los compuestos vuelven a ensamblarse espontáneamente para dar lugar a una fotocélula renovada y perfectamente formada.

Imitar la naturaleza

“En el fondo, estamos imitando trucos que la naturaleza ha descubierto a lo largo de millones de años”, en concreto, “la reversibilidad, la capacidad para descomponerse y volver a ensamblarse”, explica Strano. El equipo, del que forman parte el investigador de posdoctorado Moon-Ho Ham y la estudiante de posgrado Ardemis Boghossian, ideó el sistema basándose en un análisis teórico, pero luego decidió construir un prototipo de célula para ponerlo a prueba. Sometieron a la célula a ciclos repetidos de ensamblaje y desensamblaje durante un periodo de 14 horas, sin que hubiese pérdida de eficiencia.

Strano dice que, al diseñar sistemas novedosos para generar electricidad a partir de la luz, los investigadores no suelen estudiar el modo en que los sistemas cambian con el tiempo. En el caso de las células fotovoltaicas a base de silicio convencionales, hay poca degradación, pero en el de muchos sistemas nuevos que se están desarrollando (ya sea para conseguir un coste menor, una mayor eficiencia o flexibilidad u otras características mejoradas), la degradación puede ser muy importante. “A menudo se observa que, al cabo de 60 horas, la eficiencia ha caído un 10% respecto a la que había al principio”, afirma.

Las reacciones individuales de estas nuevas estructuras moleculares tienen una eficacia de alrededor del 40% transformando la luz solar, es decir, aproximadamente el doble de la eficiencia de las mejores células solares comerciales actuales. Strano dice que, en teoría, la eficiencia de las estructuras podría acercarse al 100%. Pero en el trabajo inicial, la concentración de las estructuras en la solución era baja, por lo que la eficiencia total del dispositivo (la cantidad de electricidad producida por una superficie determinada) era muy baja. Ahora trabajan ya para encontrar formas de aumentar mucho más la concentración.