A fotosíntese como inspiración para buscar unha nova tecnoloxía de captación de enerxía solar

Buscar na natureza inspiración e sabedoría para atopar respostas á crise climática e conseguir novas tecnoloxías enerxéticas. Esta é a esencia de Catarsis, un proxecto de investigación baseado na biomimética de plantas e liderado por dúas investigadoras do CINBIO, Sara Núñez, especialista en Física Aplicada, e Isabel Pastoriza, experta en Química Coloidal. O seu obxectivo, explican, é “desenvolver os fundamentos dunha nova tecnoloxía de captación de enerxía solar inspirándonos na natureza, máis concretamente, en como a enerxía é capturada e transportada na fotosíntese”. Como elas mesmas recalcan, a natureza, tras millóns de anos de evolución, deseñou “o sistema molecular máis eficiente para o transporte de enerxía: a fotosíntese”. En Catarsis “tomaremos como modelo esta distribución molecular dos orgánulos fotosínteticos de bacterias púrpura para establecer novas estratexias para a captura de enerxía usando materiais orgánicos sostibles que reduzan a necesidade de explotacións mineiras contaminantes”.  

O proxecto, seleccionado dentro da convocatoria estatal de Proxectos orientados á transición ecolóxica e dixital, TED2021 e cun orzamento de 174.800 €, arrancou en decembro e ten dous anos de duración. Caracterízase pola súa perspectiva interdiciplinar, xa que abrangue temas tan variados como a nanobiomedicina, a fotocatálise ou a nanofotónica integrada. Por todo isto, Catarsis conta cun equipo multidisciplinar formado por investigadores e investigadoras principalmente dos eidos da Física Aplicada e da Química Coloidal, xunto con especialistas en nanomateriais, bioloxía sintética e biomimetismo da fotosíntese. A maioría forman parte do Centro de Investigación en Nanomateriais e Biomedicina, CINBIO, xunto con outros membros do International Iberian Nanotechnology Laboratory. 

Novos paradigmas de colección de enerxía

Catarsis (Climate AdapTAble bioinSpired polarItonic energy harvesterS) pretende transformar o modo no que a humanidade extraeu a enerxía dos recursos do planeta e que derivou no cambio climático. Para isto, o equipo basearase en como a natureza conseguiu realizar este proceso “dunha maneira sostible e simbiótica co planeta” para buscar novos paradigmas de colección de enerxía “que vaian más aló dun aumento de eficiencia e que nos permitan reducir as perdas, aumentar a vida útil do produto e adaptarnos aos shocks climáticos”.  

A idea de partida é o modo no que as plantas transforman a luz do sol en enerxía e como se adaptan a diferentes zonas climáticas, estacións ou variacións de luminosidade ao longo do día. “Observaremos a fotosíntese a varias escalas, dende a molecular ata chegar a dispositivos tamaño macro, pasando por control dos materiais na escala nanométrica”, detallan. A idea é ir máis aló de entender a fotosíntese como un proceso catalítico, “estudiaremos a fotosíntese como un dispositivo solar onde, unha vez que se captura a enerxía dun fotón, esta transfírese ao centro de reacción cunha eficiencia próxima ao 100%”. Ademais empregarán a bioloxía sintética para a obtención de pigmentos con propiedades cuánticas baixo demanda e que formen estruturas supramoleculares similares aos pigmentos fotosintéticos naturais.  

Tres catálogos de materiais captadores de enerxía

As investigadoras explican que as células solares foron deseñadas para a recolección de enerxía solar pero, centrándose fundamentalmente en materiais compatibles coa microelectrónica debido ao avanzado desenvolvemento dos dispositivos electrónicos. Este feito, engaden, limitou a aparición de novos deseños que poidan crear novos paradigmas enfocados ao procesado eficiente de fotóns cunha óptima recolección de enerxía. Por isto, en Catarsis aproximaranse ao problema creando tres catálogos de materiais captadores de enerxía de forma ultraeficiente mediante polaritóns. “Eses catálogos serviranos para adaptar a eficiencia e as perdas por calor dependendo da irradiancia de diferentes zonas climáticas”, explican. Primeiro crearán un catálogo de láminas polaritónicas compostas por estruturas supramoleculares que imitan os complexos fotosintéticos. O segundo catálogo estará composto por nanopartículas destas supramoléculas que serán capaces de atrapar a luz na nanoscala a través resonancias polaritónicas. Por último, o terceiro catálogo estará formado por láminas de nanocompostos formados por combinacións destas nanopartículas cunha resposta espectral adaptable a diferentes condicións climáticas. “Estas láminas nanocompostas usarán o acoplo entre partículas para transportar a enerxía a través de polaritóns, reducindo as perdas e a xeración de calor mentres aumenta a fotoprotección”. A eficiencia destas láminas nanocompostas comprobarase con dous demostradores en diferentes condicións de iluminación segundo zonas climáticas, estacións ou variacións de luminosidade ao longo do día.