En términos generales, siempre han coexistido dos sistemas puntuales para captar la energía solar: la energía fotovoltaica, cuyo mecanismo convierte la luz solar en electricidad, o los sistemas de energía solar térmica, que concentran el calor del sol y lo utilizan para hervir agua que luego mueve una turbina o para el agua caliente del hogar o la calefacción. Pero hay otro planteamiento que utiliza moléculas de fulvalene diruthenium, cuyo potencial se vio hace décadas pero que fue marginado porque nadie encontró una manera de aprovecharlo de una manera práctica y económica. Investigadores del MIT han superado ese obstáculo.
El fulvalene diruthenium aprovecha lo que se conoce como planteamiento termoquímico, en el que se captura la energía solar en la configuración y estructura de ciertas moléculas, se almacena y luego se libera en forma de calor para que pueda ser utilizada. A diferencia de los sistemas convencionales de energía solar térmica, que requieren de un aislamiento muy efectivo (y aun así tienen pérdidas de calor con el paso del tiempo), estas sustancias químicas pueden almacenar calor y permanecer estables durante años.
Los investigadores exploraron este tipo de combustible capaz de almacenar las propiedades térmicas de la energía solar durante la década del 70 (siglo XX), pero por aquellos años hubo grandes retos que no pudieron sortearse. Nadie pudo encontrar un producto químico que fuera fiable y reversible en sus propiedades con facilidad, es decir, que pueda cambiar entre las dos situaciones necesarias: absorber la luz del sol para entrar en un estado y luego liberar el calor para retornar al estado previo. Este compuesto, el fulvalene diruthenium, fue descubierto en 1996, pero tiene la desventaja de incluir rutenio, un elemento raro y caro, por lo que en ese entonces no era práctico para el almacenamiento de energía generalizada. Por otra parte, nadie comprendía a ciencia cierta cómo trabajaba el compuesto, lo que dificultaba los esfuerzos para encontrar una variante más barata.
Ahora, los investigadores del MIT han superado ese obstáculo, con una combinación de trabajo teórico y experimental que ha revelado exactamente cómo la molécula (diruthenium fulvalene) cumple su ciclo de almacenamiento de energía y la posterior liberación de ésta en forma de calor. Este entendimiento facilitará y hará posible encontrar productos químicos similares, más abundantes y menos costosos que el rutenio. Durante el proceso, la molécula sufre una transformación estructural mientras absorbe la luz del sol, pasando a un estado de mayor energía donde puede permanecer estable por tiempo indefinido. Luego, mediante una pequeña adición de calor, o utilizando un catalizador, el compuesto químico podría volver a su forma original, y durante este proceso produciría liberación de calor. En la práctica, el equipo encontró que el proceso es un poco más complicado que esta sencilla explicación teórica y debieron superar numerosos acontecimientos y comportamientos inesperados de los materiales utilizados.
Jeffrey Grossman, Profesor en el Departamento de Materiales, Ciencias e Ingeniería del MIT, explicó que el avance alcanzado hace que ahora sea posible producir una "batería recargable de calor" que en repetidas ocasiones pueda almacenar y liberar el calor recogido de la luz solar u otras fuentes. En principio, dijo Grossman, con un combustible hecho a partir de diruthenium fulvalene, cuando el calor almacenado se libera, "puede llegar a entregar hasta 200 °C, una cifra elevada de calor y suficiente como para calentar toda una casa o incluso hacer funcionar un motor para producir electricidad". En comparación con otros métodos que también utilizan energía solar, explicó: "Este sistema de trabajo toma muchas de las ventajas de la energía solar-térmica, pero almacena el calor en forma de combustible. Es reversible y es estable durante un largo plazo. Además, puede ser utilizado en cualquier lugar, de acuerdo a las necesidades del usuario. Su manipulación sería tan sencilla como colocar combustible al sol, esperar el proceso de carga y a continuación utilizar el calor almacenado. Luego, este ciclo de recarga podría repetirse de manera indefinida colocando el mismo combustible de nuevo bajo el sol".
El problema de la escasez y el costo del rutenio sigue siendo un freno en la producción sencilla y económica de este combustible, dijo Grossman. Pero ahora que se ha logrado comprender cómo trabaja la molécula, debería ser más fácil encontrar otros materiales que presenten el mismo, o similares comportamientos. “Esta molécula es un material complicado, pero ha demostrado que se puede lograr", agregó. El siguiente paso es utilizar la simulación, la intuición química y las bases de datos de decenas de millones de moléculas conocidas para encontrar otras candidatas que tengan similitudes estructurales y que puedan presentar el mismo comportamiento.
