Atrapando el Sol: Combustibles Solares y Baterias Virales

Cada hora el sol provee tanta energia como la que usa toda la poblacion del mundo durante un anho. A solo un 10% de eficiencia, esto es, si solo un 10% de energia solar es convertida en electricidad, el area del departamento de La Libertad (aproximadamente 25,000 Kilometros cuadrados o menos de 1/50 del area total del Peru) podria producir suficiente electricidad para todo EEUU. Al 2007 la capacidad total solar a nivel mundial era de solo 6.6 GW, comparada a mas de 1,000 GW del carbon, lo que representa menos del 0.05% del suministro total que es de 13,200 GW. Parte de la razon es la complejidad que el sol no brilla las 24 horas del dia ni todos los dias del anho. Otro aspecto es el almacenaje de la energia que tradicionalmente ha significado baterias es muy caro. Y el mayor de los obstaculos es que las celdas fotovoltaicas todavia no son lo suficientemente baratas para competir a escala. Los fabricantes solares emplean el precio "watt pico", refiriendose a la maxima salida de sus celdas durante la maxima intensidad solar. Al 2007 el watt pico fluctuaba por los $4 (o menos de $7 instalado - precio que incluye el hardware, sistema de montaje y electrico, ingenieria e instalacion).
Las celdas solares estan hechas de elementos semiconductores. El silicio cristalino mantiene sus electrones hasta que es golpeado por un foton con la energia de banda-gap necesaria, el cual libera un electron a la banda de conduccion, dejando una vacancia conocida como hueco. Cada par electron-hueco, portando cargas opuestas, es llamado un exciton. Los electrones fluyen a traves de la banda de conduccion para reunirse con los huecos. Esto es una corriente electrica continua. Una de las limitaciones de esta tecnologia, es que absorbe la luz lentamente, lo que significa que los "wafers" tienen que ser lo suficientemente gruesos (pesados y caros), para capturar los fotones antes que se resbalen y la energia se degrade en calor. Ese espesor, a su vez, requiere de silicio altamente purificado, con no mas de una impureza por billon de partes.
Esas limitaciones han llevado a la siguiente generacion de celdas solares en favor de otros materiales semiconductores hechas de cobre, indio, galio y selenio conocidos como CIGS. Un film de este material tan delgado como 1 micron, tiene el mismo efecto fotovoltaico que un wafer tipico de silicio cristalino de 200 a 300 micrones de espesor (el grosor de un cabello humano). Mezclando elementos con diferentes energias de umbral (band-gaps), pueden colectar luz de diferentes longitudes de onda, a angulos bajos del sol y con dias nublados, desperdiciando menos energia solar. Esta tecnologia de fabricacion de rollos grandes y flexibles pueden ir dondequiera. Otros estan desarrollando concentradores solares, los cuales combinan diminutas celdas de ultra alta eficiencia con optica de bajo costo, como los lentes de amplificacion que magnifican la difusa energia solar cientos de veces mas potente, por medio de espejos que sirven de colectores de luz. Otros usan maquinas Stirling que emplean el calor colectado para mover un generador electrico.
Empresas como Innovalight, Ausra y SES estan desarrollando avances importantes.
En Caltech se esta investigando en una clase de fotosintesis artificial, convirtiendo la energia solar directamente en combustibles liquidos. Eso solucionaria el problema del almacenamiento solar como la naturaleza lo hace - rompiendo y creando enlaces quimicos - pero a una eficiencia mucho mas alta que las plantas son capaces de alcanzar. Esta "hoja artificial" es una membrana que como una hoja real hace tres cosas: captura la energia solar, la convierte en una corriente inalambrica y luego almacena esa energia en enlaces quimicos. Para la primera parte, reemplazan la clorofila usada por las plantas reales con oxidos metalicos intensamente coloridos similares a los pigmentos en pinturas. Para convertir la luz en electricidad, agregan semiconductores en nanoescala, que como en las celdas solares, convierten los fotones en huecos y electrones excitados. Y por ultimo, para convertir la corriente electrica en energia quimica, suministran agua y catalizadores. Como en la fotosintesis real, los huecos y electrones separaran el agua en oxigeno e hidrogeno y adheriran el hidrogeno al dioxido de carbono para hacer combustible. El combustible hecho por fotosintesis es azucar; mediante este metodo se obtiene metano, metanol o hidrogeno y oxigeno alrededor de 5 a 20 veces mas eficientemente que las plantas. El problema es la estabilidad del sistema: colores suficientemente fuertes para absorber grandes cantidades de luz se han deteriorado rapidamente.
En el MIT se ha ingeniado geneticamente un virus, el bacteriofago M-13, para atrapar metales conductivos - como el oxido de cobalto y el oro - de una solucion. Ya se conocia como codificar amino acidos para atrapar cobalto, pero se uso evolucion dirigida para encontrar proteinas de virus que se adhieren bien al oro. Poniendo esas dos secuencias de ADN en el genoma viral y los viruses se ven cubiertos con los metales por si solos, ADN y proteina, pueden almacenar 3 veces mas energia que la mejor de las baterias pueden manejar en materiales de micrones de espesor, en forma de plastico envolvente de centimetros cuadrados, como para ser adheridos en tarjetas de credito, o como una "curita" para dispositivos medicos implantables, o como forma de hilo para integrarlo a textiles. Ahora ultimo se esta desarrollando esta tecnologia para baterias de autos, lo que en un principio se creia imposible.
Otros investigadores estan averiguando como algunas criaturas marinas sintetizan materiales marcadamente fuertes (conchas de moluscos, arrecifes de corales y perlas) con una precision de fabricacion de nanoescala que excede de lejos a la ingenieria humana moderna. La esponja naranja "puffball", la cual colecta silicio del agua de mar, usa una enzima para convertirlo en puntiagudos filamentos que cubren su cuerpo. En un experimento en la Universidad de California reemplazaron el agua de mar con mitrato de zinc acuoso y consiguieron que las esponjas depositaran oxido de zinc sobre vidrio. Ahora el ejercito de los EEUU esta poniendo oxido de zinc en polimeros organicos para celdas solares, flexibles y portatiles.