Eletricidade a partir de “fotossíntese”

Massachusetts Institute of Technology

Pesquisadores do MIT criam uma tecnologia fotovoltáica auto-combinante capaz de se auto-reparar

As moléculas podem transformar a luz solar em eletricidade e podem ser quebradas e rapidamente remontadas


IMAGEM
Esta é a célula-protótipo construida pela equipe para medir as propriedades do sistema fotossintético auto-combinante.

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CAMBRIDGE, Massachusetts. — As plantas são boas em fazer o que cientistas e engenheiros tem lutado para fazer por décadas a fio: converter a luz solar em energia armazenada e fazê-lo de maneira confiável, dia após dia, ano após ano. Agora, alguns cientistas do MIT conseguiram imitar um aspecto chave deste processo.

Um dos problemas com o aproveitamento da luz solar é que os raios do Sol podem ser altamente destrutivos para muitos materiais. A luz solar leva a uma degradação gradual de muitos dos sistemas desenvolvidos para capturá-la. No entanto, as plantas adotaram uma estratégia interessante para resolver esse problema: as moléculas encarregadas de capturar a luz solar se fracionam constantemente e as plantas as remontam a partir dos pedaços resultantes, de forma que as estruturas básicas que capturam a energia solar são, por assim dizer, sempre novas em folha.

Esse processo foi agora imitado por Michael Strano, o Professor Associado Charles & Hilda Roddey de Engenharia Química e sua equipe de estudantes de pós-graduação e pesquisadores. Eles criaram um novo conjunto de moléculas auto-combinantes que podem transformar a luz solar em eletricidade. As moléculas podem ser repetidamente quebradas e rapidamente remontadas, mediante a simples adição ou remoção de uma solução adicional. O artigo sobre este trabalho foi publicado na edição de 5 de setembro da Nature Chemistry.

Strano diz que a ideia lhe ocorreu inicialmente quando ele estava estudando a biologia das plantas. “Eu fiquei realmente impressionado com o fato das plantas terem esse mecanismo extremamente eficaz de reparar suas células”, diz ele. E acrescenta que, em pleno Sol de Verão, “uma folha de árvore recicla suas proteínas a cada 45 minutos, embora se possa pensar que ela é uma célula fotovoltáica estática”.

Um dos objetivos de longo prazo da pesquisa de Strano sempre foi descobrir modos para imitar os princípios encontrados na natureza com o uso de nano-componentes. No caso das moléculas usadas pelas plantas para fotossíntese, a forma reativa de oxigênio produzida pela luz solar faz com que as proteínas se decomponham de uma maneira muito precisa. Nas palavras de Strano, o oxigênio “desata uma amarração que mantém as proteínas unidas”, mas as mesmas proteínas são rapidamente remontadas para recomeçar o processo.

Toda essa atividade acontece dentro de pequeninas cápsulas chamadas cloroplastos que existem dentro de cada célula vegetal — e é onde acontece a fotossíntese. Strano diz que o cloroplasto é “uma máquina formidável. É um notável motor que consome dióxido de carbono e usa a luz para produzir glucose”, a substância química que fornece energia para o metabolismo.

Para imitar esse processo, Strano e sua equipe – financiados pela MIT Energy Initiative e pelo Departamento de Energia – produziram moléculas sintéticas chamadas fosfolipídeos que formam discos; esses discos fornecem o suporte estrutural para as outras moléculas que realmente respondem à luz, em estruturas chamadas de centros de reação, os quais liberam elétrons quando atingidos por partículas de luz. Os discos que portam os centros de reação, ficam em uma solução onde eles se afixam espontaneamente a nano-tubos de carbono — tubos ocos de átomos de carbono que tem bilionésimos de metro de espessura e são, no entanto, mais fortes do que aço e capazes de conduzir a eletricidade mil vezes melhor que o cobre. Os nano-tubos mantém os discos de fosfolipídeo em um alinhamento uniforme, de forma que os centros de reação podem ficar todos expostos à luz solar de uma só vez e também funcionam como condutores para coletar e canalizar o fluxo de elétrons liberados pelas moléculas reativas.

O sistema produzido pela equipe de Strano é feito de sete compostos diferentes que incluem os nano-tubos de carbono, os fosfolipídeos e as proteínas que compõem os centros de reação, os quais, nas condições corretas, se montam espontaneamente em uma estrutura para a coleta da luz solar e produzir uma corrente elétrica. Strano diz acreditar que isso estabelece um novo recorde quanto à complexidade de um sistema auto-combinante. Quando um surfatante — similar àqueles lançados no Golfo do México para dissolver o petróleo derramado — é adicionado à mistura, os sete componentes se separam e formam uma espécie de “sopa”. Então, quando os pesquisadores removeram o surfatante, forçando a solução através de uma membrana, os componentes se remontaram de novo em uma fotocélula perfeitamente formada e rejuvenescida.

“Nós basicamente estamos imitando os truques que a natureza descobriu ao longo de milhões de anos” — em particular, “reversibildade, a capacidade de desmontar e remontar”, declara Strano. A equipe que incluiu o pesquisador pós-doutorado Moon-Ho Ham e o estudante de pós-graduação Ardemis
Boghossian, chegou ao sistema com base em uma análise teórica, mas que então decidiu construir uma célula-protótipo para testá-la. Eles passaram a ´célula-protótipo por repetidos ciclos de montagem e desmontagem ao longo de um período de 14 horas, sem qualquer perda de eficiência.

Strano argumenta que, ao desenvolver novos sistemas para gerar energia elétrica a partir de luz, os pesquisadores frequentemente não estudam como os sistemas se modificam ao longo do tempo. Nas células fotovoltáicas convencionai com base no silício, a degradação é pequena, porém, no caso de vários sistemas novos que se encontram em desenvolvimento —
seja buscando um custo menor, maior eficiência, flexibilidade ou outras características melhoradas — a degradação pode ser muito significativa. “Frequentemente se vê a eficiência cair, depois de 60 horas, a 10% do original”, afirma ele.

As reações individuais dessas novas estruturas moleculares apresentam uma eficiência de cerca de 40%, ou cerca do dobro da eficiência das melhores células solares comercialmente disponíveis agora. Teoricamente, a eficiência das estruturas poderia ficar próximo dos 100%, diz ele. Mas, no trabalho inicial, a concentração das estruturas na solução era baixa, de forma que a eficiência geral do dispositivo — a quantidade de energia elétrica produzida por uma dada área de superfície — foi muito baixa. Agora eles estão trabalhando para encontrar maneiras para aumentar em muito a concentração.

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