NeoFronteras

Consiguen recrear los procesos de reparación de la Naturaleza para así fabricar un célula solar dinámica hecha con fluidos que imita la fotosíntesis.

Prototipo de célula solar autorreparable. Fuente: Patrick Gillooly.

Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han creado lo que parece ser la primera célula fotovoltaica capaz de repararse a sí misma. Esta célula imita los sistemas de autorreparación naturales que se dan en las plantas.
El dispositivo podría llegar a un rendimiento del 40% que es muy superior a las mejores células fotovoltaicas comercializadas en la actualidad.
Las plantas convierten la luz solar en energía química gracias a las fotosíntesis. Los científicos han estado tratando de imitar este proceso desde hace tiempo usando materiales sintéticos. Pero el problema que siempre ha surgido es la degradación gradual de estos materiales provocada por la propia radiación solar, que al final terminaba por destruir el sistema. Las plantas han desarrollado por evolución sofisticados sistemas de reparación que evitan este problema y que consisten en la descomposición y ensamblaje de las proteínas dañadas por la luz solar. De este modo se asegura que las moléculas necesarias para la fotosíntesis están continuamente refrescándose y siempre funcionan como si fueran nuevas.
Michael Strano y sus colaboradores del MIT han logrado con éxito imitar estos procesos naturales por primera vez mediante la creación de complejos químicos autoensambladores que convierten la luz en electricidad. Estos complejos pueden ser reiteradamente rotos o desacoplados y reensamblados mediante la adición de un surfactante (una disolución de moléculas similares al jabón). Los complejos son fotoactivos sólo en el estado ensamblado.
Una de las metas de Strano es encontrar formas de imitar los principios de la Naturaleza usando nanocomponentes. La idea se le ocurrió a Strano cuando leía acerca de la biología vegetal. Le pareció sorprendente cómo las células de las plantas tengan ese mecanismo de reparación tan extremadamente eficiente.
Este grupo de investigadores encontró que puede mantener el ciclo de estados desacoplado y ensamblado de manera indefinida añadiendo o eliminando el surfactante. El sistema en total tiene siete componentes independientes que forman una disolución o «sopa» si el surfactante está presente, pero se organizan ellos solos si se elimina. Para eliminar el surfactante los científicos hacen pasar la «sopa» por una membrana y al momento todo el sistema se ensambla automáticamente produciéndose el rejuvenecimiento de la fotocélula.
Los complejos están compuestos por proteínas captadoras de luz, nanotubos de pared simple y fosfolípidos con forma de disco. Las proteínas se aislaron a partir de la bacteria púrpura Rhodobacter sphaeroides y contienen un centro de reacción a la luz compuesto por lípidos hecho de bacterioclorofilas y otras moléculas. Cuando el centro de reacción es expuesto a la luz solar convierte la luz del sol en pares electrón-hueco denominados excitones.
Los nanotubos, que actúan a modo de cables eléctricos de conexión absorben los electrones produciendo una corriente. Estos nanotubos conducen la electricidad mucho mejor que los cables de cobre. Además, los nanotubos sirven para alinear los discos de fosfolípidos (grasas) en una línea perfecta, asegurando así que los centros de reacción son expuestos a la luz de manera uniforme.
Quizás lo más interesante de todo esto es que todo el sistema se ensambla de manera espontánea en una estructura organizada que contiene miles de moléculas ordenadas de una manera específica y preconcebida, y todo ellos sólo mediante la eliminación del surfactante.
Al usar este sistema de regeneración los investigadores han conseguido prolongar la vida de esta célula solar de manera indefinida, además de aumentar la eficacia del sistema en un 300% en una exposición continua a la luz de 164 horas si se compara con otros sistemas similares no autorreparables. En esos otros casos se suele perder un 10% de rendimiento al cabo de 60 horas de uso respecto al rendimiento inicial. En este caso la regeneración de la célula se hizo cada 14 horas sin que se produjera pérdidas de eficacia.
Estos investigadores especulan que si consiguieran aumentar la concentración de estos complejos hasta conseguir empaquetarlos en una formación más compacta, se podría alcanzar un rendimiento del 40% (el límite teórico estaría cerca del 100%), que es mucho más que las células solares comerciales. Además, este sistema sería mucho más barato que las células fotovoltaicas convencionales.
Sin embargo, la comparación con las células solares al uso no es apropiada. Las células fotovoltaicas son sistemas estáticos de estado sólido hechos con láminas de semiconductores como el silicio. Esta nueva célula, por el contrario, es dinámica, como los cloroplastos de las plantas, que pueden reciclar sus proteínas cada 45 minutos en un día soleado.
Según Strano lo que han hecho es imitar lo que la Naturaleza descubrió hace millones de años, en particular la reversibilidad que hay en la capacidad de unas moléculas para descomponerse y se volverse a ensamblar.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original.