Mediante simulaciones computacionales y con ayuda de una red internacional informática, el proyecto Energía Limpia busca moléculas ricas en átomos de carbón para que sean la base de celdas fotovoltaicas más eficientes, baratas y fáciles de producir a gran escala.

Este proyecto es liderado por el doctor Alán Aspuru, egresado de la Facultad de Química de la UNAM y ahora investigador del Departamento de Química y Química Biológica de la Universidad de Harvard. Con él colaboran otros investigadores de dicha universidad y de la Universidad de Stanford, así como el doctor Carlos Amador Bedolla, del Departamento de Física y Química Teórica de la Facultad de Química de la UNAM, y quien en su momento fuera tutor del Doctor Aspuru.

"Lo más sorprendente de este proyecto es su tamaño, es monstruoso", comentó el doctor Bedolla. El Proyecto Energía Limpia consiste en calcular, mediante una red internacional de cómputo, un conjunto de propiedades ópticas y electrónicas de cerca de 4 millones de moléculas orgánicas (es decir, que contienen carbono) usando modelos derivados de la mecánica cuántica. Se espera que estas propiedades sean suficientes para predecir el potencial que tiene cada molécula para su uso en tecnología fotovoltaica.

Fotovoltaicos hechos de carbón

Las celdas fotovoltaicas más eficientes actualmente alcanzan 40% de eficiencia, de acuerdo con el último reporte de la revista científica Progress in Photovoltaics: Research and Applications. La eficiencia es la relación entre la energía recibida y la energía aprovechada.

Las celdas que se utilizan actualmente contienen elementos químicos muy escasos, como el galio y el indio, y no son fáciles de fabricar. A diferencia de éstas, las celdas fotovoltaicas orgánicas usarán compuestos ricos en carbón (muy abundante en la naturaleza) y serían relativamente fáciles de fabricar a gran escala; sin embargo, su eficiencia aún no sobrepasa el 10%.

La eficiencia de cada celda solar depende de las propiedades de los compuestos que se usan para fabricarla: "La principal premisa del proyecto es que las propiedades de los fotovoltaicos orgánicos dependen, fundamentalmente, de las cualidades electrónicas de sus moléculas y estas propiedades se pueden determinar con precisión a partir de cálculos químico-teóricos, explicó el Doctor Bedolla.

Para conocer qué moléculas orgánicas pueden ser buenas candidatas para crear celdas fotovoltaicas, los investigadores crean simulaciones computacionales de estas moléculas y sus propiedades.

Una supercomputadora de voluntarios

Para escoger las moléculas que se simularían, el grupo partió de una base de 26 moléculas que, de acuerdo a la experiencia de un grupo de químicos experimentales, tienen potencial para su aplicación en fotovoltaica y pueden sintetizarse químicamente. Las millones de moléculas a analizar resultan de distintas combinaciones entre estas 26 moléculas.

Pero calcular las propiedades electrónicas de estas millones de moléculas tomaría varios miles de años en una computadora normal. Es por esto que los cálculos se realizan en la World Community Grid, una red internacional de millones de computadoras que colaboran con tiempo de procesamiento.

Cualquier persona puede registrar su computadora en la página www.worldcommunitygrid.org para donar de manera voluntaria tiempo de cómputo para varios proyectos sin fines de lucro, entre ellos el Proyecto Energía Limpia.

Siempre hemos defendido los proyectos libres, como el uso de Linux, por ejemplo. Estamos reservando la posibilidad de acceder a la información durante un año, aproximadamente, y después quedará abierto para que la gente que quiera utilizar los datos, lo haga. También estamos interesados en generar aplicaciones con efectos económicos, pero ese paso es posterior a los cálculos, agregó Carlos Bedolla.

En espera de los resultados

La primera parte del proyecto ha finalizado. Consistió en realizar análisis rápidos de baja precisión. Los resultados de estos cálculos permitieron darle prioridad, en el análisis de alta precisión, a las moléculas con mayor potencial. Esta segunda fase se encuentra en marcha desde hace un año: "Hace unas semanas teníamos ya alrededor de 1.5 millones de resultados. De estos, el 0.3% (45 mil aproximadamente) tienen, de acuerdo con esta predicción, mejores propiedades que las moléculas encontradas hasta ahora. Pero faltan detalles, son resultados preliminares".

En unos años, cuando finalice el proyecto y se pongan a prueba las moléculas que los cálculos arrojen como prometedoras, sabremos si con su proyecto el Doctor Aspuru y colaboradores podrán proveernos de conocimientos con los que se produzcan mejores celdas para capturar la energía solar.

"La diferencia entre si sale bien y si sale mal es gigantesca. Si sale bien, el éxito es extraordinario. Si sale mal, quizá a nadie le importe, pero sí vamos a aprender un poco. Hasta ahora, la teoría de que las propiedades electrónicas predicen las propiedades de los fotovoltaicos ha funcionado, pero pudiera ser que las propiedades mecánicas (como elasticidad, dureza, estructura) provoquen otras situaciones que no se predicen con las propiedades electrónicas, y que fueran fundamentales para el resultado final. Estas propiedades también se pueden calcular, pero eso implicaría realizar una segunda etapa de nuestro proyecto."

Además del Proyecto Energía Limpia, existen otros alrededor del mundo, aunque de menor envergadura: "No somos los únicos trabajando en esta teoría, pero somos los únicos que trabajamos con millones de moléculas", concluyó Carlos Amador Bedolla.

Dirección General de Divulgación de la Ciencia, UNAM