Cómo las baterías solares moleculares almacenan la luz solar como calor

Embalsando la luz solar en una molécula

¿Qué pasaría si pudieras atrapar la luz solar dentro de un líquido, almacenarla durante meses o incluso años, y liberarla como calor cuando la necesitaras, sin litio, sin metales raros, sin residuos? Esa es la promesa del almacenamiento de energía termosolar molecular (MOST), una tecnología que convierte moléculas especialmente diseñadas en combustible recargable alimentado completamente por el sol.

A diferencia de los paneles fotovoltaicos, que convierten la luz directamente en electricidad, los sistemas MOST almacenan la energía solar en enlaces químicos. El concepto se remonta a décadas atrás, pero los avances recientes han impulsado las densidades de energía más allá de las de las baterías de iones de litio, renovando el interés en lo que alguna vez fue una curiosidad de laboratorio.

Cómo funcionan los sistemas MOST

En el corazón de cada sistema MOST se encuentra un fotointerruptor molecular: un compuesto que cambia de forma cuando es alcanzado por la luz solar. El proceso se desarrolla en tres pasos:

1. Captura. Los fotones golpean la molécula original, excitándola y desencadenando una reorganización estructural llamada fotoisomerización. La molécula se retuerce en una forma tensa y de alta energía conocida como isómero metaestable.
2. Almacenamiento. Debido a que el isómero tenso es metaestable, permanece bloqueado en su estado de alta energía durante períodos prolongados (desde horas hasta años, según el diseño molecular) sin perder energía.
3. Liberación. Un pequeño desencadenante (calor, un catalizador o una longitud de onda específica de luz) hace que la molécula vuelva a su forma relajada. La energía almacenada se libera como calor a demanda.

Fundamentalmente, no se consumen reactivos ni se forman subproductos. La molécula se puede recargar con luz y reutilizar, funcionando como un ciclo de combustible de circuito cerrado y sin emisiones.

Las moléculas detrás de la magia

Los investigadores han explorado varias familias de fotointerruptores. El más estudiado es el par norbornadieno-cuadriciclano (NBD-QC). Cuando el norbornadieno absorbe luz UV o visible, se convierte en cuadriciclano, almacenando hasta 0,48 MJ por kilogramo. El sistema es robusto y bien comprendido, pero enfrenta compensaciones: ajustar la molécula para que absorba más del espectro solar a menudo acorta el tiempo de almacenamiento o reduce la densidad de energía.

Un gran avance provino de la UC Santa Barbara, donde el equipo de la profesora asociada Grace Han diseñó un fotointerruptor basado en pirimidona, una estructura inspirada en un componente del ADN. Publicado en la revista Science, el trabajo logró una densidad de energía récord de 1,65 MJ por kilogramo, aproximadamente el doble que una batería estándar de iones de litio. La pirimidona es soluble en agua, almacena energía hasta por tres años y, cuando se activa con un catalizador ácido, libera suficiente calor para hervir agua en medio segundo.

Por qué es importante para la transición energética

Las baterías convencionales sobresalen en el almacenamiento de electricidad, pero se degradan con el tiempo, dependen de metales extraídos y plantean desafíos de reciclaje. Los sistemas MOST evitan muchos de estos problemas:

• Almacenamiento de larga duración. La energía bloqueada en los enlaces químicos no se autodescarga como lo hacen las baterías, lo que hace que MOST sea atractivo para el almacenamiento estacional o a largo plazo.
• Materiales abundantes. Las moléculas son compuestos orgánicos construidos a partir de carbono, nitrógeno y oxígeno, elementos que son baratos y abundantes.
• Sin emisiones. El ciclo de carga y descarga no produce gases de efecto invernadero ni residuos peligrosos.

Las aplicaciones potenciales van desde calentar edificios y descongelar carreteras hasta proporcionar energía térmica portátil en entornos fuera de la red.

Desafíos por delante

A pesar de la promesa, la tecnología MOST todavía se encuentra en la etapa experimental. Los obstáculos clave incluyen la ampliación de la producción, la mejora de la eficiencia con la que las moléculas absorben el amplio espectro solar y la garantía de que los materiales sobrevivan a miles de ciclos de carga y descarga sin degradarse. La extracción y transferencia del calor almacenado a temperaturas útiles también sigue siendo un desafío de ingeniería.

Investigadores de Europa, Estados Unidos y Asia están trabajando en estos problemas, con el apoyo de programas como el proyecto MOST de Horizonte 2020 de la UE. Si tienen éxito, las baterías solares moleculares podrían ofrecer un complemento limpio y reciclable a las celdas de iones de litio: una forma de embotellar el sol y abrirlo cuando el mundo necesite calor.