Estrutura do complexo de captura de energia da luz solar, mostrando a organização das moléculas que capturam e transmitem a energia com eficiência extraordinária.
Circuitos moleculares
A energia solar pode ser capturada de forma eficiente, e transportada por longas distâncias, usando minúsculos circuitos moleculares.
É o que propõe o Dr. Gregory Scholes e seus colegas da Universidade de Toronto, no Canadá.
A equipe descobriu como projetar esses circuitos moleculares, que são 10 vezes menores do que os mais finos fios existentes no interior dos processadores de computador.
A ideia não é nova, mas é radicalmente promissora: imitar a fotossíntese das plantas, criando uma fotossíntese artificial com potencial para ser a fonte definitiva de energia limpa.
O trabalho de vários grupos ao redor do mundo no campo da fotossíntese artificial tem gerado conhecimentos novos na forma como as plantas, algas e bactérias usam a mecânica quântica para otimizar a captura de energia do Sol.
Agora os cientistas juntaram o quebra-cabeças desse conhecimento, mapeando as diversas estruturas moleculares e suas funções - um passo essencial para a sua reprodução de forma artificial, criando "células solares biomiméticas".
Antena biológica
Nas plantas, a luz do Sol é capturada por uma espécie de "antena" biológica, formada por moléculas "coloridas" - corantes ou pigmentos - que direcionam a energia para proteínas especiais, que a utilizam para produzir oxigênio e açúcares.
É isto o que os cientistas estão tentando imitar.
"A produção de combustível solar normalmente começa com a energia da luz sendo absorvida por uma estrutura de moléculas. A energia é armazenada por um breve momento na forma de elétrons em vibração, sendo então transferida para um reator adequado," explica o professor Scholes, citando um esquema artificial.
O grande gargalo está na velocidade com que as moléculas-antena das plantas mantêm a energia - apenas alguns bilionésimos de segundo. Se a energia não for transferida rapidamente, ela pode fritar as estruturas biológicas, matando a planta.
O segredo está nas propriedades quânticas dessas antenas, que são feitas de apenas algumas dezenas de pigmentos.
Foi neste conhecimento que os pesquisadores conseguiram avançar, idealizando meios para replicar o processo de forma artificial usando simulações computadorizadas.
É a primeira vez que os cientistas conseguem descrever com tantos detalhes as funções de cada um dos elementos fotossintéticos das plantas e algas. [Imagem: Scholes et al./Nature Chemistry]
Receita de fotossíntese artificial
Segundo eles, serão necessários quatro elementos básicos para garantir a captura e a distribuição da energia solar com as antenas nanoscópicas.
O primeiro é mais óbvio é o desenvolvimento dos componentes básicos da antena, que devem ser moléculas com alta capacidade de absorção de energia. Esses fotoabsorvedores deverão ser bem distribuídos para aumentar a probabilidade de conversão dos fótons em elétrons em toda a antena.
O segundo elemento é um adequado agrupamento das moléculas absorvedoras de luz, de forma que elas possam: a) absorver diferentes comprimentos de onda; b) criar gradientes de energia para que a energia flua sempre em um determinado sentido; e c) explorar várias rotas para a transferência da energia captada, explorando o fenômeno da coerência quântica.
Também deverá ser garantido que as escalas de energia envolvidas no processo de transferência da energia sejam mais ou menos ressonantes. Isso deverá garantir que os mecanismos de transferência quântica e clássica se combinem para que a energia seja transmitida tanto por distâncias curtas quanto longas - quando várias antenas estiverem conectadas.
O quarto e último elemento é que a transferência de energia não deve ser tão rápida quanto possível, mas tão rápida quanto necessário. Isto significa a necessidade da incorporação de mecanismos regulatórios nas próprias antenas, por exemplo, "peles" que sejam capazes de dissipar qualquer excesso danoso de energia.
