Cómo las quemaduras solares inspiraron una nueva forma de almacenar energía

El sol brilla, a veces, en Boston, pero no así.

Cuando la profesora de química Grace Han visitó por primera vez el sur de California desde Boston hace algunos años, notó la diferencia. Cómo su piel hormigueaba con los primeros signos de irritación después de solo unas pocas horas al aire libre.

El año pasado, se mudó para aceptar un puesto en la Universidad de California, Santa Bárbara, y comenzó a usar regularmente un sombrero de ala ancha, gafas de sol y mucha crema solar. Siendo profesora de química, ya había investigado.

"Estaba leyendo sobre la fotoquímica del ADN, por placer", recuerda.

Fue entonces cuando se dio cuenta de que las moléculas de ADN en la piel de las personas que se dañan por las quemaduras solares podrían ayudarla. Esas moléculas cambian de forma cuando son irradiadas por el sol, flexionándose en una versión tensa de su forma regular.

Durante décadas, los científicos han buscado moléculas que puedan cambiar de forma, almacenando energía en el proceso, y luego ser inducidas a volver a su forma original, liberando la energía almacenada a demanda.

Un poco como armar y luego disparar una ratonera. Se conoce como almacenamiento de energía solar térmica molecular (Most) y es una forma potencialmente muy barata y libre de emisiones de suministro de calor. Estos sistemas Most podrían almacenar energía durante muchos meses o incluso años.

Los investigadores han tenido un éxito limitado con la tecnología anteriormente, pero, gracias al sol de California, Han sabía qué intentar a continuación.

Es importante activar el cambio de forma de las moléculas de almacenamiento de energía de una manera suave y repetible.

Por suerte, millones de años de evolución han perfeccionado este proceso cuando ocurre en nuestra piel; somos laboratorios de química vivientes, en cierto sentido. Las moléculas de ADN en nuestra piel han evolucionado para poder reparar su forma distorsionada por el sol con la ayuda de una enzima llamada fotoliasa.

Y tales moléculas, se dio cuenta Han, eran candidatas perfectas para un sistema de almacenamiento de energía. "Son muy, muy pequeñas", explica. "Y pueden almacenar una gran cantidad de energía por masa".

En un artículo publicado en febrero, ella y sus colegas describieron el sistema de almacenamiento de energía más prometedor de este tipo hasta la fecha, al menos en términos de su densidad de energía. Fue lo suficientemente potente como para hacer que una "tetera muy pequeña" en un vial hirviera una pequeña cantidad de agua rápidamente, dice Han.

Sus estudiantes, que llevaron a cabo esa parte del estudio, se apresuraron a contarle cómo fue. "Cuando vi el video y vi lo rápido que hervía toda la solución, fue realmente notable", recuerda Han.

Ella enfatiza que los análisis informáticos que predecían cómo se comportaría la molécula, realizados por su colaborador Kendall Houk en la Universidad de California, Los Ángeles, y su equipo, fueron cruciales para el trabajo.

El colega experimentador de Most, Kasper Moth-Poulsen, quien dirige equipos de investigación en la Universidad Politécnica de Barcelona en España y otras instituciones, no participó en el estudio, pero quedó impresionado por los resultados.

"Creo que nuestros mejores sistemas fueron de un megajulio [de energía por kilogramo]. Tenían, creo, 1,6, lo cual es realmente asombroso", dice, refiriéndose a la densidad de energía que Han y sus colegas lograron.

Los 1,65 megajulios por kilogramo registrados en su artículo de febrero son significativamente mayores que la densidad de energía de las baterías de iones de litio, actualmente el tipo de batería más popular para teléfonos y coches eléctricos.

El sistema Most que Han y sus colegas idearon tiene algunas limitaciones. Por un lado, la longitud de onda de la luz que hace que las moléculas en el centro del sistema cambien de forma es de 300 nanómetros, una forma de "luz UV [ultravioleta] muy dura", dice John Griffin de la Universidad de Lancaster. "Eso proviene del sol hacia nosotros, pero solo en cantidades muy pequeñas".

Además, el activador utilizado para revertir la forma de la molécula distorsionada para liberar su energía era ácido clorhídrico, una sustancia altamente corrosiva que debe ser neutralizada después de su uso. "No es la opción más ideal", admite Han.

Dice que tiene la esperanza de que sea posible mejorar la capacidad de respuesta del sistema a la luz natural, y también de activar la liberación de energía sin requerir un químico tóxico.

El objetivo final de trabajos como este es descarbonizar la calefacción, lo cual es notoriamente difícil.

El mundo todavía depende en gran medida de los combustibles fósiles para aplicaciones de calefacción. Los sistemas solares térmicos moleculares y los combustibles fósiles son, de hecho, ambas formas de almacenamiento de energía química. Pero la tecnología Most "opera sin quemar nada", enfatiza Moth-Poulsen.

Además, Most podría estar disponible en cualquier lugar de la Tierra, a diferencia de los combustibles fósiles, que se concentran en algunos lugares. Es por eso que el bloqueo del Estrecho de Ormuz ha causado tantos problemas recientemente, señala. Los combustibles producidos en esa parte del mundo no pueden llegar a donde la gente los necesita.

Moth-Poulsen dice que un sistema de almacenamiento de energía Most también podría almacenar energía a largo plazo, incluso durante varias décadas. La energía térmica almacenada como calor podría durar solo unas pocas horas, días o meses como máximo.

Sin embargo, hay algo más a considerar, dice Harry Hoster, de la Universidad de Duisberg-Essen, quien también es director científico del Centro ZBT de Tecnología de Celdas de Combustible centrado en el hidrógeno en Alemania.

Las moléculas fotosensibles en un sistema Most deben estar relativamente dispersas. Demasiado densas y la luz no podrá penetrar lo suficiente en todas las moléculas. "En un escenario realmente optimista, probablemente podrías hacer esto de 5 mm de espesor", estima Hoster.

Y, empaquetar tus moléculas en un líquido significa que probablemente tendrás que mover o bombear ese líquido de una parte del sistema a otra, para almacenar la energía o transferirla, por ejemplo. Esto añade costo y complejidad. "En el momento en que necesitas bombear cosas, tienes más cosas que pueden romperse", dice Hoster.

Griffin dice que él y sus colegas están trabajando en versiones de estado sólido de la tecnología Most. Han, que también está investigando iteraciones sólidas de Most, dice que estas podrían tener la forma de recubrimientos de ventanas transparentes, por ejemplo. De esa manera, podrían liberar calor para evitar la condensación o incluso para calentar habitaciones.

Hoster, sin embargo, se muestra escéptico de que Most pueda proporcionar todo el calor requerido en un edificio. Sin embargo, podría calentar componentes sensibles a la temperatura en satélites o aviones.

"Es una gran ciencia", añade. "Es hermoso que hayan logrado que esta funcionalidad sea correcta".

Las innovaciones y la investigación probablemente continuarán, aunque vale la pena señalar que este campo sigue siendo relativamente nicho en la actualidad. Griffin asistió a una conferencia el año pasado sobre tecnología Most con aproximadamente 70 asistentes, recuerda. "Esa era básicamente toda la comunidad en el mundo trabajando en esto".