La luz solar puede provocar que una molécula cambie de estructura y libere calor más tarde.
© Kypros /GettyEl sistema funciona de forma similar a los calentadores de agua solares existentes, pero con almacenamiento químico de calor
Para almacenar calor durante días, semanas o meses, es necesario atrapar la energía en los enlaces de una molécula que posteriormente pueda liberar calor cuando se necesite. El enfoque de este problema químico concreto se denomina almacenamiento de energía solar térmica molecular (MOST). Aunque ha sido la próxima gran novedad durante décadas, nunca ha despegado realmente.
En un artículo reciente de la revista Science, un equipo de investigadores de la Universidad de California, Santa Bárbara, y la UCLA demuestran un avance que podría finalmente hacer eficaz el almacenamiento de energía MOST.
La conexión con el ADN
En el pasado, la mayoría de las soluciones de almacenamiento de energía se han visto afectadas por un rendimiento mediocre. Las moléculas no almacenaban suficiente energía, se degradaban demasiado rápido o requerían disolventes tóxicos que las hacían poco prácticas. Para encontrar una solución a estos problemas, el equipo dirigido por Han P. Nguyen, químico de la Universidad de California en Santa Bárbara, se inspiró en el daño genético causado por las quemaduras solares. La idea era almacenar energía mediante una reacción similar a la que permite que la luz ultravioleta dañe el ADN.
Cuando se permanece demasiado tiempo en la playa, la luz ultravioleta de alta energía puede hacer que las bases adyacentes del ADN (timina, la T del código genético) se unan entre sí. Esto forma una estructura conocida como lesión (6-4). Cuando esa lesión se expone a aún más luz ultravioleta, se retuerce hasta adoptar una forma aún más extraña llamada isómero «Dewar». En biología, esto es una mala noticia, ya que los isómeros Dewar provocan torceduras en la espiral de doble hélice del ADN que interrumpen la copia del ADN y pueden provocar mutaciones o cáncer.
Para contrarrestar este efecto, la evolución creó una enzima específica llamada fotoliasa para localizar las lesiones (6-4) y devolverlas a su forma segura y estable.
Los investigadores se dieron cuenta de que el isómero Dewar es esencialmente una batería molecular. Este efecto de recuperación era exactamente lo que buscaba el equipo de Nguyen, ya que libera mucho calor.
Combustible recargable
Las baterías moleculares, en principio, son extremadamente eficaces para almacenar energía. El combustible para calefacción, posiblemente la batería molecular más popular que utilizamos para calentar, es esencialmente energía solar antigua almacenada en enlaces químicos. Su densidad energética es de alrededor de 40 megajulios por kilo. Para ponerlo en perspectiva, las baterías de ion-litio suelen almacenar menos de un MJ/kg. Sin embargo, uno de los problemas del aceite para calefacción es que sólo se puede usar una vez, ya que se quema al utilizarlo. Lo que Nguyen y sus colegas pretendían conseguir con su sustancia inspirada en el ADN es, básicamente, un combustible reutilizable.
Para ello, los investigadores sintetizaron un derivado de la 2-pirimidona, una sustancia química similar a la timina que se encuentra en el ADN. Diseñaron esta molécula para que se plegara de forma fiable en un isómero de Dewar bajo la luz solar y luego se desplegara cuando se le ordenara. El resultado fue un combustible recargable que podía absorber la energía cuando se exponía a la luz solar, liberarla cuando era necesario y volver a un estado «relajado» en el que estaba listo para recargarse de nuevo.
Los intentos anteriores con sistemas MOST han tenido dificultades para competir con las baterías de ion-litio. El norbornadieno, uno de los candidatos más estudiados, alcanza un máximo de alrededor de 0,97 MJ/kg. Otro competidor, la azaborinina, solo alcanza 0,65 MJ/kg. Puede que sean interesantes desde el punto de vista científico, pero no van a calentar tu casa.
El sistema basado en pirimidona de Nguyen superó con creces esas cifras. Los investigadores lograron una densidad de almacenamiento de energía de 1,65 MJ/kg, casi el doble de la capacidad de las baterías de ionen litio y sustancialmente superior a la de cualquier material MOST anterior.
Doble anillo
La razón de este salto en el rendimiento fue lo que el equipo denominó «tensión compuesta».
Cuando la molécula de pirimidona absorbe la luz, no solo se pliega, sino que se retuerce hasta formar una estructura bicíclica fusionada que contiene dos anillos diferentes de cuatro miembros: 1,2-dihidroazete y diazetidina. Los anillos de cuatro miembros están sometidos a una enorme tensión estructural. Al fusionarlos, los investigadores crearon una molécula que está desesperada por volver a su estado relajado.
Lograr una alta densidad energética sobre el papel es una cosa. Hacer que funcione en el mundo real es otra. Una de las principales deficiencias de los sistemas MOST anteriores es que son sólidos que deben disolverse en disolventes como el tolueno o el acetonitrilo para funcionar. Los disolventes son enemigos de la densidad energética: al diluir el combustible hasta una concentración del 10 %, por ejemplo, se reduce efectivamente la densidad energética en un 90 %. Cualquier disolvente utilizado significa menos combustible.
El equipo de Nguyen abordó este problema diseñando una versión de su molécula que es líquida a temperatura ambiente, por lo que no necesita disolvente. Esto simplificó considerablemente las operaciones, ya que el combustible líquido podía bombearse a través de un colector solar para cargarlo y almacenarlo en un depósito.
A diferencia de muchas moléculas orgánicas que rechazan el agua, el sistema de Nguyen es compatible con entornos acuosos. Esto significa que, si una tubería tiene una fuga, no se derramarán líquidos tóxicos como el tolueno por toda la casa. Los investigadores incluso demostraron que la molécula podía funcionar en el agua y que su liberación de energía era lo suficientemente intensa como para hervirla.
El sistema de calefacción basado en MOST, según afirma el equipo en su artículo, haría circular este combustible recargable a través de paneles situados en el tejado para captar la luz solar y luego almacenarlo en el depósito del sótano. El combustible de este depósito se bombearía posteriormente a una cámara de reacción con un catalizador ácido que desencadena la liberación de energía. A continuación, a través de un intercambiador de calor, esta energía calentaría el agua del sistema de calefacción central estándar.
Pero hay un inconveniente.
En busca de la fuga
El primer obstáculo es el espectro de luz que aporta energía al combustible de Nguyen. El sol nos baña con un amplio espectro de luz, desde el infrarrojo hasta el ultravioleta. Lo ideal sería que un colector solar utilizara la mayor cantidad posible, pero las moléculas de pirimidona solo absorben la luz en el rango UV-A y UV-B, alrededor de 300-310 nm. Eso representa alrededor del cinco por ciento del espectro solar total. La gran mayoría de la energía del Sol, la luz visible y el infrarrojo, atraviesa las moléculas de Nguyen sin cargarlas.
El segundo problema es el rendimiento cuántico. Es una forma elegante de preguntar: «De cada 100 fotones que inciden sobre la molécula, ¿cuántos consiguen realmente que cambie al estado isómero Dewar?». En el caso de estas pirimidonas, la respuesta es un número bastante decepcionante, de un solo dígito. Un rendimiento cuántico bajo significa que el fluido necesita una exposición más prolongada a la luz solar para obtener una carga completa.
Los investigadores plantean la hipótesis de que la molécula tiene una fuga rápida, lo que significa una vía de desintegración no radiativa en la que la molécula excitada libera la energía inmediatamente en forma de calor en lugar de transformarse en la forma de almacenamiento. Sellar esa fuga es el próximo gran reto para el equipo.
Por último, el equipo utilizó en sus experimentos un catalizador ácido que se mezcló directamente con el material de almacenamiento. El equipo admite que, en un futuro dispositivo de circuito cerrado, esto requeriría una etapa de neutralización, una reacción que elimina la acidez después de que se libera el calor. A menos que se puedan purificar los productos de la reacción, esto reducirá la densidad energética del sistema.
Aun así, a pesar de los problemas de eficiencia, la estabilidad del sistema de Nguyen parece prometedora.
¿El almacenamiento MOST?
Uno de los mayores temores con el almacenamiento químico es la reversión térmica: el combustible se descarga espontáneamente porque se calienta demasiado en el tanque de almacenamiento. Pero los isómeros Dewar de las pirimidonas son increíblemente estables. Los investigadores calcularon una vida media de hasta 481 días a temperatura ambiente para algunos derivados. Esto significa que el combustible podría cargarse en el calor de julio y permanecería completamente cargado cuando se necesita calentar la casa en enero. Las cifras de degradación también parecen aceptables para un almacenamiento de energía MOST. El equipo sometió el sistema a 20 ciclos de carga y descarga con una degradación insignificante.
El problema de separar el ácido del combustible podría resolverse en un sistema práctico cambiando a un catalizador diferente. Los científicos sugieren en el artículo que, en esta configuración hipotética, el combustible fluiría a través de una superficie sólida funcionalizada con ácido para liberar calor, eliminando así la necesidad de neutralización posterior.
Aún así, estamos bastante lejos de utilizar sistemas MOST para calentar hogares reales. Para llegar a ese punto, necesitaremos moléculas que absorban mucho más del espectro de luz y se conviertan al estado activado con una mayor eficiencia. Por ahora, aún no hemos llegado a ese punto.
Referencia: Han P. Q. Nguyen, Alexander J. Maertens, Molecular solar thermal energy storage in Dewar pyrimidone beyond 1.6 MJ/kg, Science, 2026. DOI: 10.1126/science.aec6413
Jacek Krywko
Jacek Krywko es un escritor independiente especializado en ciencia y tecnología que cubre temas relacionados con la exploración espacial, la investigación en inteligencia artificial, la informática y todo tipo de ingeniería avanzada. Anteriormente trabajó como periodista en la sección de ciencia de Gazeta Wyborcza, uno de los periódicos más importantes de Polonia, y sus artículos han aparecido en Quartz y The Atlantic.
Comentarios del Lector
a nuestro Boletín