Cómo una quemadura de sol inspiró a una profesora de química a desarrollar una nueva manera de almacenar energía

En la ciudad de Boston, en Estados Unidos, el sol brilla, algunas veces, pero nunca así.

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Cuando la profesora de química Grace Han viajó de Boston al sur de California hace unos años, se dio cuenta de la diferencia. Sintió un hormigueo en la piel con las primeras señales de irritación después de pasar solo unas horas afuera.

El año pasado, se mudó para empezar a trabajar en la Universidad de California en Santa Bárbara, y asiduamente empezó a usar una sombrero de ala ancha, gafas oscuras y mucha crema solar. Como era profesora de química, ya había investigado.

“Había estado leyendo sobre la fotoquímica de ADN, como pasatiempo”, recuerda.

Fue ahí cuando se dio cuenta de que las moléculas de ADN en la piel humana que se dañan con las quemaduras de sol podrían ayudarla. Esas moléculas cambian de forma cuando se irritan con el sol, torciéndose en una versión tensa de su forma normal.

Durante décadas, los científicos han buscado moléculas que puedan cambiar de forma y almacenen energía durante ese proceso, para luego estimularlas a que vuelvan a su forma original y desprendan la energía almacenada.

Es algo así como montar una trampa de ratones y luego activar el mecanismo. Se conoce como almacenamiento molecular de energía solar termal (MOST, por sus siglas en inglés) y es potencialmente una manera de suministrar calor muy barata y libre de emisiones. Los sistemas MOST podrían almacenar energía durante muchos meses, incluso años.

Laboratorios vivientes

Los investigadores habían logrado éxitos limitados con la tecnología pero, gracias al sol de California, Han supo el siguiente paso a seguir.

Es importante activar el cambio de forma de las moléculas que almacenan energía de manera pareja y repetible.

Afortunadamente, millones de años de evolución han perfeccionado este proceso cuando sucede en ciertas plantas y animales.

En cierto sentido, los seres vivos son laboratorios químicos, y algunos organismos han evolucionado para poder reparar las moléculas contorsionadas por el sol con la ayuda de una enzima llamada fotoliasa.

Han pudo ver que ese tipo de moléculas eran las candidatas perfectas para un sistema de almacenamiento de energía. “Son muy, muy pequeñas”, explica. “Y pueden almacenar una enorme cantidad de energía por masa”.

En un estudio publicado en febrero, ella y sus colegas describieron el sistema de almacenamiento de energía más prometedor hasta la fecha, por lo menos en términos de su densidad energética. Era lo suficientemente potente como para que en una “pequeñísima tetera” en un vial hirviera una pequeña cantidad de agua rápidamente, indicó Han.

Sus estudiantes, que realizaron parte del estudio, se apresuraron a contarle lo que vieron. “Cuando pude ver el video y vi lo rápido que toda la solución estaba hirviendo, fue realmente extraordinario”, recuerda la profesora.

Resalta que los análisis de computadora que pronosticaban cómo una molécula actuaría, creados por su colaborador Kendall Houk en la Universidad de California en Los Ángeles y su equipo, fueron cruciales para su trabajo.

El investigador docente Kasper Moth-Poulsen, que experimenta con MOST y dirige equipos de estudio en la Universidad Politécnica de Barcelona, en España, y otras instituciones, no estuvo involucrado en este estudio pero quedó impresionado con los resultados.

“Creo que nuestros mejores sistemas eran de un megajulio [de energía por kilogramo]. Ellos lograron, creo, 1,6, que es realmente sorprendente”, expresó, refiriéndose a la densidad energética que Han y sus colegas lograron.

Los 1,65 megajulios por kilogramo registrados en la publicación de febrero son significativamente mayores que la densidad energética de la baterías de iones de litio, actualmente el tipo más popular de batería para teléfonos y vehículos eléctricos.

Las limitaciones

El sistema MOST que Han y sus colegas crearon tiene sus limitaciones. Por un lado, la longitud de onda que causa que la moléculas en el centro del sistema cambien de forma es de 300 nanómetros, una forma “muy severa de luz UV [ultravioleta]”, señaló John Griffin de la Universidad de Lancaster. “Eso nos llega desde el Sol, pero solo en cantidades muy pequeñas”.

Además, el detonante para revertir la forma de las moléculas contorsionadas para que despidan su energía fue el ácido clorhídrico, una sustancia altamente corrosiva que debe ser neutralizada después de su uso. “No es la opción más ideal”, reconoce Han.

Ella dice esperar que sea posible mejorar la respuesta del sistema a la luz natural, y también provocar la liberación de energía sin la necesidad de un químico tóxico.

El objetivo final de este tipo de trabajo es descarbonizar la calefacción, lo que es notablemente difícil.

El mundo todavía depende en su mayoría de los combustibles fósiles para las aplicaciones de calefacción. Los sistemas moleculares termales solares y los combustibles fósiles son en realidad dos formas de almacenamiento de energía. Pero la tecnología MOST “opera sin quemar nada”, resalta Moth-Poulsen.

Igualmente, MOST podría estar disponible en cualquier parte de la Tierra, al contrario que los combustibles fósiles que están concentrados en ciertos lugares. Por eso es que el bloqueo del estrecho de Ormuz ha causado tantos problemas recientemente, indica. Los combustibles producidos en esa parte del mundo no pueden llegar a donde la gente los necesita.

Moth-Poulsen afirma que el sistema de almacenamiento de energía MOST también podría almacenar energía a largo plazo, hasta varias décadas. La energía termal que se almacena como calor solo dura unas horas, días o meses en el mejor de los casos.

“Una gran ciencia” poco investigada

Hay algo más que se debe considerar, sin embargo, dice Harry Hoster, de la Universidad de Duisberg-Essen, en Alemania, quien también es director del Centro ZBT para Tecnología de Celdas Combustibles de hidrógeno.

Las moléculas sensibles a la luz de el sistema MOST deben ser extendidas en capas relativamente delgadas. Si son muy gruesas la luz no será capaz de penetrar hasta todas las moléculas. “En un escenario realmente muy optimista, probablemente tendrías que hacerlo con un espesor de 5mm”, estima Hoster.

Y juntar las moléculas en un líquido significa que probablemente se tendrá que mover o bombera ese líquido de un lado del sistema a otro, almacenar la energía o transferirla afuera, por ejemplo. Eso añade costos y complejidad. “El momento en el que necesites bombear material por ahí, tendrás más cosas que se pueden romper”, asegura Hoster.

Griffin señala que él y sus colegas están trabajando con versiones de tecnología MOST de estado sólido. Han, quien también investiga versiones sólidas de MOST, indica que estas pueden tomar la forma de revestimientos transparentes de ventanas, por ejemplo. De esa manera, podrían desprender calor para evitar la condensación o incluso calentar habitaciones.

No obstante, Hoster duda sobre si MOST será capaz de suministrar todo el calor requerido por un edificio. Pero podría calentar los componentes sensibles a la temperatura en satélites o aeronaves.

“Es una gran ciencia”, añade. “Es hermoso que hayan logrado obtener esta funcionalidad correctamente”.

Probablemente las innovaciones y las investigaciones continuarán, aunque vale la pena señalar que este campo continúa siendo relativamente nicho actualmente. Griffin explica que asistió a la conferencia de tecnología MOST el año pasado con unos 70 participantes. “Esa era básicamente toda la comunidad en el mundo que está trabajando en esto”.