En junio, el Departamento de Energía de los EE. UU. hizo un anuncio que parecía bastante banal: destinó 100 millones de dólares este año para financiar 22 nuevos Centros de Investigación de Frontera Energética (EFRC) y renovar otros varios. Uno de ellos, un nuevo laboratorio de la Universidad de Princeton, recibirá casi 11 millones de dólares durante cuatro años.
Pero, si se mira más allá de la superficie, ese anuncio marcó el inicio de un proyecto que podría resultar revolucionario.
Un equipo de destacados científicos se ha unido para responder preguntas científicas sobre energía y medio ambiente que actualmente son imposibles de resolver. Si el equipo tiene éxito, habrá descubierto una forma de alimentar el mundo con plantas y residuos industriales, liberándonos de nuestra adicción a los combustibles fósiles contaminantes. Y, en el proceso, habrá creado una rama completamente nueva de la ciencia.
Si el equipo tiene éxito, habrá descubierto una forma de alimentar el mundo con plantas y residuos industriales.
Ese campo de la ciencia se llama Química Bioinspirada Potenciada por Luz (BioLEC). Su objetivo: averiguar cómo utilizar la energía de dos fotones, las unidades cuantificables más pequeñas de luz, para impulsar reacciones químicas.
Suena sencillo sobre el papel; de hecho, las plantas lo hacen constantemente como parte de la fotosíntesis. Pero BioLEC es mucho más complicada que iluminar un tubo de ensayo con una linterna. Los científicos llevan trabajando en ello desde hace mucho tiempo, pero hasta ahora, recrear este tipo de química en un laboratorio ha resultado imposible. Sin embargo, los investigadores disponen ahora de un instrumento especial que podría darles la capacidad de realizar el tipo de reacciones que las plantas llevan a cabo de forma natural, pero en el entorno controlado del laboratorio.
Partamos de una molécula orgánica de origen vegetal. Podría tratarse de un azúcar, por ejemplo, o de un alcohol: cualquier molécula que contenga una cadena de átomos de carbono unida a un átomo de oxígeno y a un átomo de hidrógeno (OH). Son muy abundantes, así que no debería ser tan difícil encontrar una. Como sabe cualquiera que haya sufrido un curso de química orgánica, los enlaces que unen los átomos de carbono son los más difíciles de romper en estas moléculas; sería más fácil intentar romper prácticamente cualquier otro enlace atómico que alterar una cadena de carbono.
¿Pero y si pudiéramos encontrar la forma de añadir un fotón adicional a la mezcla? Esos enlaces carbono-carbono se volverían mucho más débiles.
Si pudiéramos romper esos enlaces, podríamos crear queroseno de aviación, que es otra molécula compuesta en su mayor parte por carbonos. Sobre el papel, parece fácil pasar de los alcoholes al combustible: basta con unir los carbonos de cierta manera y desprender los átomos de oxígeno en forma de agua pura.
Los científicos saben desde hace tiempo cómo utilizar la energía de un solo fotón para romper algunos de los enlaces de carbono. Pero para fabricar queroseno de aviación necesitan añadir la energía de un segundo fotón para romperlos todos. Eso sigue siendo demasiado difícil incluso con las herramientas científicas más avanzadas de que disponemos.
Una de las razones por las que resulta tan difícil es que la luz debe dirigirse específicamente a un catalizador: una molécula que no se integra en una reacción química, sino que facilita y hace posible todo el proceso. Eso significa aplicar una cantidad muy precisa de energía en el momento exacto a la parte exacta de algo que es demasiado pequeño para verse. De hecho, se requiere tanta precisión que nadie ha logrado resolverlo.
«El punto clave aquí es que la química existente no puede atacar enlaces estables», Gregory Scholes, químico de Princeton y director del proyecto BioLEC, declaró a Futurism. «Una vez que se puede atacar y modificar esos enlaces, se obtiene una molécula reactiva», es decir, el tipo de molécula que un sistema (ya sea una planta o un avión) puede utilizar como energía.
Piense en moléculas de alcohol como dos libros nuevos a estrenar. Realmente quiere que se unan para formar un único tomo gigante (suena raro, sí, pero ese es el queroseno). Sabe exactamente cómo querría ordenar las páginas y todo lo demás. Ya sabe cómo quitar el envoltorio de plástico (esos son los átomos de oxígeno e hidrógeno). Ningún problema. Pero usted no sabe cómo quitar esa encuadernación resistente de los libros. Y sin ese paso crucial, no puede hacer ese libro gigante con el que (de forma curiosa) ha estado ilusionado.
BioLEC es la química que desharía esa encuadernación. Y si funciona, se haría posible de inmediato un territorio completamente nuevo de la química.
Química que nos permitiría fabricar queroseno de aviación utilizable a partir de algo que ya es abundante en la naturaleza (y no necesitamos encontrar formas elaboradas de extraerlo del subsuelo). Significaría añadir luz a la caña de azúcar para crear una fuente de energía limpia, barata y abundante. Presumiblemente, también podríamos usar las técnicas que Scholes y su equipo esperan desarrollar para descomponer los subproductos y otros residuos de las plantas industriales. Esto no solo limpiaría en gran medida toda nuestra industria manufacturera, sino que los residuos industriales se convertirían en compuestos biodegradables limpios o incluso en combustibles. La abundancia de materias primas baratas también reduciría el coste de la energía. Lo que no haría, sin embargo, es eliminar las emisiones de carbono que provienen de quemar estos combustibles una vez que los tengamos.
«Creemos que nuestra investigación funcionará porque la naturaleza utiliza principios similares en la fotosíntesis», afirma Scholes. «Aunque no estamos copiando directamente a la naturaleza, nos ofrece una prueba de principio.»
«Creemos que nuestra investigación funcionará porque la naturaleza utiliza principios similares en la fotosíntesis.»
Lógicamente, no debería ser tan difícil. «Suena un poco simple: “Ah, absorber luz dos veces”», dice Scholes. Pero, por supuesto, no lo es. «Es mucho más difícil que eso. Tenemos todo tipo de estrategias, y por eso se necesita todo tipo de personas.»
Para resolver un problema tan enrevesado, expertos de campos tan diversos como la química, la ingeniería y la física de altas energías se unieron por primera vez. En Princeton, Scholes, como los líderes de equipos en otras instalaciones de investigación que abordan otros proyectos relacionados con la energía, deberá reunir a científicos de campos que no han colaborado mucho en el pasado. Como explicó Scholes, parte de su trabajo está tan alejado del de los demás que prácticamente hablan idiomas diferentes. Y, sin embargo, deberán unirse para hacer nuevos descubrimientos que ninguno de ellos podría lograr por sí solo.
Scholes y su equipo, en cambio, cuentan con un arma secreta: el Laser Electron Accelerator Facility (LEAF). Ubicado en Laboratorio Nacional Brookhaven, que colabora con Princeton, LEAF es una de las dos instalaciones del país capaces de aplicar una técnica llamada radiólisis por pulsos, que podría abrir de par en par esos enlaces de carbono y ese nuevo campo de la química.
La radiólisis por pulsos consiste básicamente en usar una lente de aumento para concentrar la luz solar y quemar hormigas. Solo que, en lugar de luz solar, se emplea un haz de electrones extremadamente potente, y en lugar de hormigas, moléculas demasiado pequeñas para verse a simple vista. LEAF envía ráfagas de electrones muy potentes y de duración extremadamente corta a través de las moléculas estudiadas. Estos haces de electrones chocan con las moléculas y les transfieren energía, lo que desencadena reacciones químicas que rompen y forman nuevos enlaces potentes entre los átomos de esa molécula.
Al estudiar estas reacciones en un intervalo de tiempo absurdamente corto (piense en milmillonésimas de segundo), el equipo de BioLEC puede observar los distintos pasos intermedios de una reacción: todas las diversas estructuras y formas que adoptan las moléculas al responder a la energía añadida, según explica a Futurism por correo electrónico Matthew Bird, químico del Laboratorio Nacional Brookhaven que trabaja en LEAF.
Y eso ayudará a los investigadores de BioLEC a comprender exactamente qué ocurre al dirigir energía a sus catalizadores, de modo que puedan inducir estas reacciones en el laboratorio de forma más eficiente.
Es una tarea abrumadora. En etapas tan tempranas, es imposible saber si Scholes y su equipo podrán alcanzar todos sus objetivos en solo cuatro años. Pero él es optimista al respecto. Después de todo, la ciencia subyacente ya existe. Si un montón de plantas grandes y simples han logrado averiguar cómo absorber un segundo fotón, ¿por qué no podemos nosotros?
«Es, de hecho, súper emocionante pensar en lo que podríamos lograr y en reunir a colegas y personas para hacerlo», afirma Scholes. «Lo que me entusiasma es que habrá algo de ciencia de gran impacto por el camino. Este no es un trabajo incremental.»
