Fotosíntesis cuántica. Fotón estimula en la clorofila la excitación de un electrón.
ÍNDICE
1. Resumen Ejecutivo.
2. Introducción.
3. Descripción de la fotosíntesis cuántica natural.
4. Ventajas y posibles mejoras de la fotosíntesis cuántica sintética (FCS) al mimetizar el proceso cuántico de la fotosíntesis natural.
5. Entrelazamiento cuántico y fotosíntesis.
6. Aplicación de la FCS en placas fotovoltaicas.
7. De lo natural a lo artificial. Alternativas para el desarrollo de dispositivos FCS basados en Coherencia Cuántica a Temperatura Ambiente.
7.1. Con antena cuántica molecular.
7.2. Con antena cuántica sintética extendida para todas las longitudes de onda del espectro electromagnético, incluidas las del no visible (infrarrojas y ultravioletas) y con centros de reacción de membrana sintética de gradiente quimiosmótico de protones para una eficiencia energética teórica muy próxima al 100%.
(Propuesta de investigación y aplicación tecnológica disruptiva).
- Diez razones por las cuales esta propuesta de investigación y aplicación tecnológica aporta valor y supera los desarrollos existentes.
8. Conclusiones.
Anexo I.
EL FUNCIONAMIENTO DEL APARATO FOTOSINTÉTICO PUEDE SER EVALUADO A TRAVÉS DE MEDIDAS DE FLUORESCENCIA.
1. Resumen Ejecutivo.
En este documento se hace un análisis del estado
del arte de las experiencias realizadas para replicar la fotosíntesis natural,
cuyo secreto de la eficiencia de su proceso se halla en un mecanismo cuántico.
En 2007 se llegó a la conclusión de que podría llegar a reproducirse
artificialmente la tecnología natural de la fotosíntesis para transferir
energía de un sistema molecular a otro. Esta imitación posibilitaría el
aprovechamiento de la luz del sol como fuente energética ilimitada y eficiente,
sostenible y no contaminante. Esta propuesta está basada en la Fotosíntesis
Cuántica Sintética (FCS) basada en la coherencia cuántica electrónica
ondulatoria a temperatura ambiente y en un dispositivo unificado sintético
(DUS) fundamentado en una antena cuántica sintética extendida para todas las
longitudes de onda del espectro electromagnético, incluidas las del no visible
(infrarrojas y ultravioletas) con centros de reacción de membrana sintética de
gradiente quimiosmótico de protones para una eficiencia energética teórica muy
próxima al 100%.
- Esta propuesta, aparte de extremadamente
novedosa, de tener éxito sería probablemente uno de los mayores logros de la
Humanidad, proporcionando una forma de producir energía disruptiva respecto a
todas las conocidas actualmente, tanto en funcionamiento actualmente como en
desarrollos teóricos y prácticos a nivel de laboratorio, al valorar el conjunto
de todas las características inigualables, singulares y únicas que ofrece, por
ejemplo, la aplicación fotovoltaica de la FCS. Obviamente, los retornos de la
inversión, caso de tener éxito, serían descomunalmente desproporcionados
respecto a la misma.-2. Introducción.
La fotosíntesis permite que ciertos seres vivos, como las plantas, las algas y algunas bacterias, transformen la energía luminosa en energía química. Esa transformación se consigue gracias a los llamados pigmentos fotosíntéticos. El más conocido es la clorofila de las plantas, pero el más abundante es la bacterioclorofila de las bacterias, aunque hay más tipos de pigmentos como las ficobilinas y los carotenos. A nivel molecular el aparato fotosintético consiste en unas 300 moléculas de pigmentos asociados a unas proteínas y dispuestos de una forma bastante especial.
3. Descripción de la fotosíntesis cuántica natural.
Lo que denominamos fotosíntesis en realidad son dos procesos acoplados. El esquema representa a un cloroplasto, pero también podría valer para explicar lo que ocurre en el interior de una cianobacteria. A la izquierda tenemos la denominada Fase Luminosa en la que la energía de la luz es transformada en energía química. En la parte de la derecha tenemos la Fase Oscura donde se aprovecha la energía química para reducir el CO2 a hidratos de carbono. En las plantas, algas y cianobacterias el donador de electrones e hidrógenos es el agua y por ello se consigue la fotolisis del agua obteniéndose oxígeno como producto residual, por ello se habla de fotosíntesis oxigénica. En otros seres vivos como las bacterias verdes, fotosíntéticos ese donador es distinto y no se produce oxígeno, por lo que se denomina fotosíntesis anoxigénica.
Esquema de la fotosíntesis natural
El proceso por el cual la energía de un fotón se transforma en energía química
es un ejemplo de cómo aprovechan los seres vivos la física y la química
cuántica. La energía está cuantizada, es decir, es discreta. Concretamente, el
fotón que incide en el centro de reacción debe tener el nivel de energía
adecuado, ni mas ni menos, para provocar la reacción química fotosintética,
análogamente al efecto fotoeléctrico, descrito por Albert Einstein, por el que
recibió el premio Nobel. Una explicación breve y simplificada de este efecto
análogo sería la siguiente: cuando un fotón incidente en la superficie de un
metal coincide con el nivel energético de un electrón del mismo, lo excita y
hace que pase a un nivel de energía superior, es decir, se produce la
ionización del átomo en la superficie al que pertenece porque se libera de ese
átomo, siendo expelido de la misma bajo ciertas condiciones.
En la antena la función de los pigmentos allí presentes es capturar fotones. Si una molécula de clorofila absorbe un fotón lo que le ocurre es que pasa a un estado excitado. Eso quiere decir que un electrón ha pasado a un nivel de energía mayor. Pero ese estado excitado es inestable, por lo que el electrón vuelve a su sitio y al hacerlo la molécula de clorofila cede energía que se transfiere a otro pigmento de la antena. Aunque la energía transferida es menor que la que tenía inicialmente el fotón absorbido, la antena consigue que la energía capturada por las diferentes moléculas de clorofila se vea canalizada hacia el centro de reacción. En ese centro hay dos moléculas de clorofila y son las responsables de la conversión de la energía luminosa en energía química, bien en forma de ATP o bien en forma de un gradiente quimiosmótico de protones. La forma de hacerlo es simple. Cuando le llega la suficiente y solamente la necesaria energía, el centro de reacción se ioniza porque se consigue que uno de sus electrones tenga tanta energía que se ve liberado de la molécula a la que pertenece. Como los pigmentos fotosintéticos se encuentran en una membrana y la separación de cargas ocurre en una de las caras de dicha membrana, lo que tenemos es un gradiente electroquímico, cuya energía puede ser aprovechada por la célula. Esta transferencia de energía está cercana a la eficiencia perfecta. No en vano el proceso ha estado sometido a la presión de la evolución por unos cuantos miles de millones de años.
Los fotones que inciden sobre la molécula de clorofila provocan su transición energética a un estado excitado, cuya relajación posterior se utiliza para producir energía. Los fotones en la banda activa para la fotosíntesis, entre 400 y 700 nm, tienen una energía media por mol de fotones de 205 kJ (kilojulios). La energía necesaria para activar el sistema fotosintético fotosistema II (PSII) es la de un fotón con una longitud de onda de 680 nm, es decir, de unos 176 kJ/mol. Por otro lado, para el sistema fotosintético fotosistema I (PSI) es la energía de un fotón de 700 nm, es decir, 171 kJ/mol. Por tanto, en promedio, el 6,6% de la energía solar incidente se pierde en forma de calor durante la relajación de los estados excitados de la clorofila.
También se pierde energía en el ciclo de Calvin que sintetiza los carbohidratos a partir de CO2 y la energía capturada. En la fotosíntesis C3, el ciclo de Calvin consume tres moléculas de ATP (adenosín trifosfato) y dos de NADPH (nicotinamida-adenina-dinucleótido-fosfato) para asimilar una molécula de CO2 (dióxido de carbono) en un carbohidrato (glucosa) y generar la molécula necesaria para cerrar el ciclo. La síntesis de las tres moléculas de ATP requiere 12 protones (4 cada una) y las dos moléculas de NADPH requiere absorber 8 fotones. Todo esto por cada molécula de CO2 asimilada, proceso que requiere una energía de 1388 kJ por mol. Un sexto de un mol de glucosa, es decir, el carbono que le aporta la molécula de CO2, contiene unos 477 kJ. Por ello, en el ciclo de Calvin para la fotosíntesis C3 se pierde el 24,6% de la energía solar incidente. Sumando todos los efectos, en la fotosíntesis C3 la máxima cantidad de energía solar que se transforma en carbohidratos es del 12,6%.
Algo parecido ocurre en el caso de la fotosíntesis C4. Hay tres subtipos para el ciclo de Calvin en este caso. Sin entrar en detalles, se pierde el 28,7% de la energía contenida en la radiación solar incidente. Por tanto la eficiencia máxima de conversión de energía en la fotosíntesis C4 se estima en un 8,5%. Pero no queda todo ahí, también hay pérdidas adicionales en la respiración que se produce en la mitocondria. Estas pérdidas dependen de varios factores. De nuevo sin entrar en detalles, se estima que entre el 30% y el 60% del a energía se pierde.
En resumen, tomando el porcentaje mínimo para todas las pérdidas de energía que hemos indicado, la eficiencia máxima de conversión de energía del Sol en biomasa en la fotosíntesis C3 es del 4,6% (de cada 1000 kJ de energía incidente sólo se transforma en biomasa 46 kJ) y en la fotosíntesis C4 es del 6,0% (de cada 1000 kJ de energía solar incidente sólo se transforma en biomasa 60 kJ).
Todas estas perdidas se evitarían con la FCS, lógicamente, al investigarse, diseñarse y construir los dispositivos unificados con materiales que minimizasen esas perdidas en forma de calor. No solo se mantendría el rendimiento en la transmisión de fotones y conversión de fotones en electrones en la clorofila, sino que incluso aumentaría como veremos en las ventajas de la FCS.
En la antena la función de los pigmentos allí presentes es capturar fotones. Si una molécula de clorofila absorbe un fotón lo que le ocurre es que pasa a un estado excitado. Eso quiere decir que un electrón ha pasado a un nivel de energía mayor. Pero ese estado excitado es inestable, por lo que el electrón vuelve a su sitio y al hacerlo la molécula de clorofila cede energía que se transfiere a otro pigmento de la antena. Aunque la energía transferida es menor que la que tenía inicialmente el fotón absorbido, la antena consigue que la energía capturada por las diferentes moléculas de clorofila se vea canalizada hacia el centro de reacción. En ese centro hay dos moléculas de clorofila y son las responsables de la conversión de la energía luminosa en energía química, bien en forma de ATP o bien en forma de un gradiente quimiosmótico de protones. La forma de hacerlo es simple. Cuando le llega la suficiente y solamente la necesaria energía, el centro de reacción se ioniza porque se consigue que uno de sus electrones tenga tanta energía que se ve liberado de la molécula a la que pertenece. Como los pigmentos fotosintéticos se encuentran en una membrana y la separación de cargas ocurre en una de las caras de dicha membrana, lo que tenemos es un gradiente electroquímico, cuya energía puede ser aprovechada por la célula. Esta transferencia de energía está cercana a la eficiencia perfecta. No en vano el proceso ha estado sometido a la presión de la evolución por unos cuantos miles de millones de años.
Los fotones que inciden sobre la molécula de clorofila provocan su transición energética a un estado excitado, cuya relajación posterior se utiliza para producir energía. Los fotones en la banda activa para la fotosíntesis, entre 400 y 700 nm, tienen una energía media por mol de fotones de 205 kJ (kilojulios). La energía necesaria para activar el sistema fotosintético fotosistema II (PSII) es la de un fotón con una longitud de onda de 680 nm, es decir, de unos 176 kJ/mol. Por otro lado, para el sistema fotosintético fotosistema I (PSI) es la energía de un fotón de 700 nm, es decir, 171 kJ/mol. Por tanto, en promedio, el 6,6% de la energía solar incidente se pierde en forma de calor durante la relajación de los estados excitados de la clorofila.
También se pierde energía en el ciclo de Calvin que sintetiza los carbohidratos a partir de CO2 y la energía capturada. En la fotosíntesis C3, el ciclo de Calvin consume tres moléculas de ATP (adenosín trifosfato) y dos de NADPH (nicotinamida-adenina-dinucleótido-fosfato) para asimilar una molécula de CO2 (dióxido de carbono) en un carbohidrato (glucosa) y generar la molécula necesaria para cerrar el ciclo. La síntesis de las tres moléculas de ATP requiere 12 protones (4 cada una) y las dos moléculas de NADPH requiere absorber 8 fotones. Todo esto por cada molécula de CO2 asimilada, proceso que requiere una energía de 1388 kJ por mol. Un sexto de un mol de glucosa, es decir, el carbono que le aporta la molécula de CO2, contiene unos 477 kJ. Por ello, en el ciclo de Calvin para la fotosíntesis C3 se pierde el 24,6% de la energía solar incidente. Sumando todos los efectos, en la fotosíntesis C3 la máxima cantidad de energía solar que se transforma en carbohidratos es del 12,6%.
Algo parecido ocurre en el caso de la fotosíntesis C4. Hay tres subtipos para el ciclo de Calvin en este caso. Sin entrar en detalles, se pierde el 28,7% de la energía contenida en la radiación solar incidente. Por tanto la eficiencia máxima de conversión de energía en la fotosíntesis C4 se estima en un 8,5%. Pero no queda todo ahí, también hay pérdidas adicionales en la respiración que se produce en la mitocondria. Estas pérdidas dependen de varios factores. De nuevo sin entrar en detalles, se estima que entre el 30% y el 60% del a energía se pierde.
En resumen, tomando el porcentaje mínimo para todas las pérdidas de energía que hemos indicado, la eficiencia máxima de conversión de energía del Sol en biomasa en la fotosíntesis C3 es del 4,6% (de cada 1000 kJ de energía incidente sólo se transforma en biomasa 46 kJ) y en la fotosíntesis C4 es del 6,0% (de cada 1000 kJ de energía solar incidente sólo se transforma en biomasa 60 kJ).
Todas estas perdidas se evitarían con la FCS, lógicamente, al investigarse, diseñarse y construir los dispositivos unificados con materiales que minimizasen esas perdidas en forma de calor. No solo se mantendría el rendimiento en la transmisión de fotones y conversión de fotones en electrones en la clorofila, sino que incluso aumentaría como veremos en las ventajas de la FCS.
Esquema del funcionamiento de un Fotosistema. Los pigmentos de la antena son
los que captan fotones y canalizan la energía hacia el centro de reacción.
En 2007, por primera vez en la historia, se observó, gracias a una técnica llamada espectroscopia electrónica de dos dimensiones, que el secreto de la eficiencia del proceso de la fotosíntesis se hallaba en un mecanismo cuántico.
En concreto, se constató que la coherencia cuántica electrónica ondulatoria juega un importante papel en el proceso de transferencia energética que supone la fotosíntesis porque capacita al sistema para probar simultáneamente todos los “caminos” o posibles vías de energía potencial antes de elegir el más eficiente de ellos, como también han demostrado los investigadores de la Universidad de Chicago.
Veamos una descripción detallada del la fotosíntesis natural y su eficiencia.
Cuando un fotón incide sobre una “antena” molecular, un complejo proteíco formado por varias proteínas que contiene los pigmentos fotosintéticos (pongamos que sean moléculas de clorofila) y es absorbido excitando una molécula de clorofila, es decir, un electrón pasa desde un estado HOMO (siglas de orbital molecular ocupado de mayor energía) hasta un estado excitado no ocupado de mayor energía. Pocos picosegundos más tarde, esta molécula excitada decae, es decir, el electrón pasa desde el estado excitado a un estado LUMO (siglas de orbital molecular desocupado de menor energía) emitiendo un nuevo fotón. En este proceso la molécula vibra y pierde energía disipando calor. Obviando esta disipación térmica, la diferencia de energía entre los estados HOMO y LUMO debe corresponder a la energía del fotón absorbido por la molécula y a la energía del fotón emitido.
En las antenas moleculares fotosintéticas hay varias moléculas de clorofila que se excitan en secuencia a saltos (en inglés se habla de “hops” y al proceso se le llama “hopping” [también se utiliza el término "transferencia del excitón"]. Estos saltos acaban en una molécula de clorofila especial llamada clorofila “P” cuyo papel es la conversión del fotón en un electrón. La clorofila P está cerca de dos moléculas, una aceptora de electrones y otra dadora de electrones (DPA). Cuando la clorofila P se excita con un fotón (DP*A), decae en un proceso con dos etapas separadas: en la primera etapa transfiere un electrón a la molécula aceptora de electrones (DP+A-) y en la segunda etapa recibe un electrón de la molécula dadora de electrones (D+PA-), quedando en un estado no excitado tras este proceso.
La eficiencia energética de este proceso de conversión de energía la de un fotón en la transferencia de un electrón se puede calcular usando las leyes de la termodinámica. Podemos suponer que se trata de un ciclo de Carnot con un foco caliente, la energía de la molécula excitada, y un foco frío, la energía de la molécula en su estado fundamental. Asumiendo que la molécula de clorofila se comporta como una molécula en un gas, el cálculo resulta en una eficiencia máxima del 75%. Sin embargo, la clorofila in vivo no está en un gas y se encuentra acoplada a proteínas, lo que reduce la eficiencia a un valor entre el 57% y el 67%. Y en estos cálculos se ha omitido el trabajo requerido en las transiciones en las moléculas aceptora y dadora de electrones, lo que reduce la eficiencia de este ciclo de Carnot en como mínimo un 7% adicional.
En resumen, la eficiencia de la conversión de energía de un fotón a la de un electrón ronda el 60% en el mejor caso, siendo lo habitual que no supere el 50%.
La razón es sutil, pero sencilla. La eficiencia superior al 90% se refiere a la transferencia de los fotones entre moléculas de clorofila cercanas. El proceso que lleva los fotones desde la molécula de clorofila que ha capturado el fotón de la luz solar y la molécula de clorofila “P” que realiza la transferencia del electrón. El proceso de “hopping” tiene una eficiencia cercana al 95% gracias a la física cuántica, como se publicó en la revista Nature en el año 2007. Podemos decir que en este proceso de “hopping” se ejecuta un algoritmo cuántico de búsqueda que canaliza el fotón hasta la clorofila “P”.
También, en 2007, como ya hemos comentado, en la Universidad de California en Berkley estudiaron la fotosíntesis en la bacteria fototrópica verde del azufre (Chlorobium tepidum). Según su estudio experimental mediante espectroscopia bidimensional utilizando la transformada de Fourier, el proceso de “hopping” corresponde a la propagación coherente de una onda cuántica de tipo excitón que transfiere la energía del fotón capturado hasta el centro químico activo donde se realiza la transferencia del electrón [por eso al "hopping" también se le llama transferencian del excitón]. La onda cuántica se propaga por las moléculas de clorofila durante cientos de femtosegundos y se comporta como si “visitara” de forma simultánea varios caminos posibles y eligiera el óptimo para llegar al centro activo. El proceso es análogo al algoritmo cuántico de Grover, capaz de buscar un elemento dado en un vector de n componentes desordenadas en un número de pasos igual a la raíz cuadrada de n (cuando un algoritmo clásico requiere mirar al menos todos los elementos, es decir, un tiempo proporcional a n). Aunque el estudio experimental publicado en el año 2007 se realizó con a baja temperatura, unos 77 Kelvin, los autores afirmaron que el mismo mecanismo debe ocurrir a temperatura ambiente.
De hecho, en el año 2010, se publicó en Nature otro artículo que comprobó dicha hipótesis, demostrando que dicho mecanismo también se da a temperatura ambiente. Un equipo de la Universidad de Padua, Italia, aunque realizó la investigación trabajando en la Universidad de Toronto, Canadá, demostraron en un alga fotosintética que el mecanismo de “hopping” utiliza la coherencia cuántica incluso a temperatura ambiente.
En resumen, la fotosíntesis natural como proceso de conversión de energía solar en biomasa tiene una eficiencia máxima alrededor del 10%. El proceso fundamental que ocurre en la clorofila que permite la conversión de la energía de un fotón en la transferencia de un electrón tiene una eficiencia del orden del 50%. Y el proceso cuántico que tiene una eficiencia superior al 90% es el proceso de “hopping” por el que el fotón capturado en una molécula de clorofila recorre varias moléculas hasta llegar a la molécula de clorofila “P” que realiza la transferencia del electrón como tal.
Es este proceso cuántico el que se pretende replicar y mejorar con la FCS debido a su alto rendimiento energético que podría rozar el 100% como razonaré a continuación.
4. Ventajas y posibles mejoras de la fotosíntesis cuántica sintética (FCS) al mimetizar el proceso cuántico de la fotosíntesis natural.
A diferencia de los fotosistemas naturales que permiten modular la cantidad de luz absorbida (lo que se conoce como apagamiento o quenching) evitando daños a la célula, en la FCS no tendrían esta limitación y podrían absorber cantidades de luz muy superiores a las naturales. Incluso, esta ventaja permitiría trabajar a estos fotosistemas artificiales con luz aun mas tenue de lo que lo hacen los fotosistemas naturales. Lo cual seria muy interesante para poder beneficiarse de este tipo de energía renovable, eficaz, sostenible medioambientalmente y ecológica en latitudes de escasa insolación.
Otra ventaja de la FCS frente a la fotosintesis natural es que se puede fabricar un centro de reacción para cada longitud de onda de la luz, incluidas las que están mas allá del intervalo del espectro de la luz visible. Esto sería inviable naturalmente porque la evolución ha optimizado el centro de reacción en economía de recursos. Si un centro de reacción funcionase con un sólo fotón significaría que ese centro de reacción solo reconocería una determinada longitud de onda y no otra. La luz blanca está compuesta por fotones de distintas longitudes de onda. eso significaría que la célula debería fabricar centros de reacción para la luz roja, la luz amarilla, la luz azul, etc. Mas aun si además debiera fabricarlos para captar las frecuencias de espectros infrarrojos y/o ultravioletas. La composición de los pigmentos de la antena permite que pueda haber varios tipos de pigmento naturales que absorban a diferentes longitudes de onda, por lo que el centro de reacción puede ser usado con independencia del tipo de luz. Sin embargo, la antena artificial podría tener pigmentos que absorbiesen todas y cada una de las longitudes de onda del espectro visible e invisible.
Tipos de antenas naturales. Estructuras proteicas receptoras.
La antena natural es una solución mucho más versátil y económica que tener simplemente centros de reacción. Así que la siguiente cuestión es ¿cómo han llegado a ser tan eficientes? Por el segundo principio de la termodinámica sabemos que cuando hay una transferencia de energía ésta no es completa. Siempre hay una perdida. Cuanto menor sea esa pérdida muchísimo mayor es la eficiencia del proceso. La fotosíntesis es uno de los procesos más eficientes desde el punto de vista energético. Nunca es menor del 90%. Y eso se consigue gracias a la combinación de varios factores. Por lo tanto, la FCS podría conseguir rendimientos superiores, muy cercanos al 100% al tener centros de reacción mas completos que los naturales, incluso podría eliminarse la antena, aumentando la simplificidad frente a lo natural. Por supuesto, este rendimiento fabuloso sería posible si y solo si se consiguiese mimetizar el proceso siguiente:
- El primer factor es que la disposición espacial de las moléculas de pigmento es óptima. Lo suficientemente cerca para permitir la transferencia de energía pero lo suficientemente lejos como para evitar la superposición de orbitales electrónicos que podrían quenchear los estados excitados.
-El segundo factor es que la organización supramolecular del fotosistema permite una gran cantidad de pautas de conexión para liberar la energía al centro de reacción.
-El tercer factor ha sido descrito en un artículo de la revista Nature. Un grupo de investigadores de la Universidad de Toronto han encontrado que las moléculas de pigmento se "cablean" entre sí gracias al fenómeno de coherencia cuántica –un estado que mantiene su fase durante un tiempo y facilita fenómenos de interferencia–. Estos resultados señalan que la coherencia cuántica, la genuina propiedad cuántica de la superposición de estados, es la responsable de mantener los altos niveles de eficiencia en el transporte de energía de los sistemas biológicos, gracias a adaptar las vías de transporte en función de las influencias del entorno.
Hasta la fecha solo ha sido posible replicar los fenómenos cuánticos de unas pocas partículas elementales hasta 480 átomos, aprovechando este fenómeno de coherencia cuántica.
Los investigadores han estudiado dos clases de complejos de antena que se encuentran en las algas criptofitas, unas algas eucariotas que viven en aguas dulces y marinas. Las diferentes especies de estas algas presentan antenas con una gran variación en el espectro de absorción de la luz. El principal pigmento fotosintético que contienen es la bilina, y son capaces de modularlo para que absorba a distintas longitudes de onda. Lo que hicieron fue excitar dichos complejos usando pulsos de laser de 25 femtosegundos (1 femtosegundo o fs es 10-15 segundos). De esa forma crearon una superposición de estados electrónicos excitados conocido como un paquete de onda, que evoluciona en el tiempo de acuerdo con la ley de la mecánica cuántica. Estas leyes predicen que un paquete de ondas se comportará de un modo oscilante entre las posiciones a las cuales la excitación está localizada, con distintas correlaciones y anti-correlaciones en fase y amplitud. Sería semejante a una colección de péndulos oscilando de forma coherente. Pero este comportamiento colectivo se va disipando debido a las intereacciones entre las moléculas y el "ruido" molecular debido al ambiente proteico donde se encuentran los pigmentos. Sin embargo, la FCS podría evitar este ruido molecular y mantener así la reacción, minimizando la disipación de la misma, y aumentando aun mas si cabe el rendimiento.
El fotosistema de la bacteria Rhodopseudomonas acidophila.
El Fotosistema de la bacteria Rhodopseudomonas acidophila contiene 18 moléculas de pigmento que se disponen formando un círculo. Las moléculas se excitan tras la abosrción de fotones. En el gráfico se muestra la evolución en el tiempo de la probabilidad de que se de una excitación en una determinada posición del complejo tras una excitación con un pulso de láser en el tiempo cero. La probabilidad se representa con la intensidad del color, siendo el azul oscuro el valor de probabilidad cero y el color rojo la probabilidad máxima. El número de cada molécula del anillo está indicado en la parte de abajo. Puede observarse que la excitación oscila entre pequeños grupos de moléculas (círculos blancos)con un período de 350 fs, lo cual es una manifestación del fenómeno de coherencia cuántica.
¿Que significa esto en términos prácticos? La coherencia cuantica permite que el fotosistema "memorice" el estado de excitación. Así que la transferencia de energía entre las moléculas de pigmento no se produce por saltos al azar, sino que se consigue direccionar preferentemente hacia el centro de reacción, lo que aumenta la eficacia.
¿Cómo ha conseguido este alga dicha coherencia cuantica en sus fotosistemas? Pues uniendo covalentemente los pigmentos de bilina a las proteínas del complejo. Los investigadores también proponen que la coherencia cuantica también podría "cablear" los aceptores finales de la energía en este tipo de fotosistemas, compensando los débiles acoplamientos electrónicos que se observa entre los pigmentos del complejo.
Modelo estructural de la antena de Chroococcus. Las ocho moléculas de pigmento están coloreadas de rojo, azul y verde. Son diferentes pigmentos por lo que este fotosistema puede absorber fotones con distintas longitudes de onda.
Otro equipo de investigadores aisló estas antenas o complejos de captación de luz de dos especies distintas de alga marina y estudió su funcionamiento a temperatura ambiente (a 21 grados centígrados) gracias a la espectroscopía electrónica bidimensional. Para ello se valieron de un láser de femtosegundo con el que iluminaron esos complejos y así remedar el proceso natural de absorción de luz.
El pulso de este tipo de láser es tan corto que se pueden vigilar más fácilmente los procesos que se suceden después de la iluminación sin la interferencia del haz que iluminó, aunque esos procesos sean muy rápidos. Entre los fenómenos que se pueden observar está el movimiento de la energía por las moléculas especiales que están unidas a una proteína.
Al excitar con el pulso láser se consigue que los electrones de las moléculas de pigmentos salten a un estado excitado. Al volver a sus estados fundamentales se emiten fotones con longitudes de onda ligeramente diferentes que se combinan para formar un patrón de interferencia determinado. Estudiando este patrón los científicos pudieron estudiar el estado de superposición que se creaba.
Los investigadores se vieron sorprendidos al observar claramente la supervivencia a largo plazo (cuatro veces más prolongados de lo esperado) de estados mecanico-cuánticos relacionados con ese movimiento de energía. Este tiempo (400 femtosegundos o 4 × 10-13 s) es lo suficientemente largo para que la energía del fotón absorbida ensaye todos los posibles caminos (¿recuerda esto a la integral de caminos de Feyman?) a lo largo de la antena, permitiendo que viaje sin pérdidas. Durante un tiempo la energía de la luz absorbida reside en varios lugares a la vez. Es decir que hay una superposición coherente de estados cuánticos. En esencia la antena realiza una computación cuántica para determinar la mejor manera de transferir la energía.
El descubrimiento va en contra de la idea supuesta que sostiene que la coherencia cuántica sólo puede ocurrir a temperaturas muy bajas cerca del cero absoluto, porque le calor ambiental la puede destruir. Se desconoce cómo se las arregla este sistema fotosintético para realizar esta proeza, pero se especula que quizás se deba a la propia estructura de la proteína.
Este resultado podría significar que las leyes de probabilidad mecánico-cuánticas prevalecen sobre las leyes clásicas en los sistemas biológicos complejos, incluso a temperatura normal. La energía puede entonces fluir eficientemente de una manera contraintuitiva (bajo la perspectiva clásica) atravesando de manera simultánea varios caminos alternativos a través de las proteínas. En otras palabras, los complejos de captación convierten la luz en una onda que viaja desde la antena a los centros de reacción sin pérdida de energía.
En la FCS este hecho sería directo si se prescindiese de las antenas y se establecieran unos centros de reacción para todas las longitudes de onda, según se anticipó en las ventajas de la FCS sobre la natural.
5 Entrelazamiento cuántico y fotosíntesis.
Como afirmaba el padre de la ecuación de onda, Erwin Schrödinger, el entrelazamiento de cuántico no es una propiedad, es "la" propiedad definitoria por antonomasia de la mecánica cuántica.
Este fenómeno cuántico, llamado "acción fantasmal a distancia" por Albert Einstein, que atacó con la famosa paradoja EPR (Einstein-Podolsky-Rosen), se produce instantáneamente, según la interpretación de Copenhague (la mas aceptada hoy día y abanderada por Niels Bohr y sus acólitos. Una explicación simplificada del fenómeno de entrelazamiento cuántico sería el siguiente: dos partículas entrelazadas, al medir en una de ellas una de las propiedades entrelazadas, automáticamente cambia en la otra partícula la propiedad entrelazada con la medida en la otra de forma opuesta, sin importar la distancia ni las barreras.
En la primera cuantificación rigurosa del entrelazamiento en un sistema biológico, la respuesta empieza a surgir. Según investigadores de varias instituciones en Berkeley, California han demostrado que algunas moléculas que toman parte en el proceso de fotosíntesis pueden permanecer entrelazadas incluso a temperatura ambiente atmosférica.
La evidencia procede del estudio detallado de la luz de algunas moléculas fotosensibles llamadas cromóforas que recolectan la luz en la fotosíntesis.
Chroomonas donde residen los cromóforos.
Varios estudios han mostrado que los cromóforos pueden compartir estados
electrónicos coherentes y deslocalizados. Desde el Berkeley Center for Quantum
Information and Computation afirman que esto únicamente puede ocurrir si los
cromóforos están entrelazados cuánticamente.
Simplemente es una consecuencia de la coherencia cuántica en los estados electrónicos.
Simplemente es una consecuencia de la coherencia cuántica en los estados electrónicos.
6. Aplicación de la FCS en placas fotovoltaicas.
Según un reciente estudio, el entorno biológico no solo no destruye la coherencia cuántica, sino que ayuda a que perdure durante el proceso de transporte desde el punto donde se absorbe la energía hasta el lugar donde se desarrolla la reacción química que completa el proceso de la fotosíntesis. Como ya hemos reiterado, la FCS al no necesitar un lugar independiente para absorber la energía (la antena) sino que la recibiría directamente en el centro de reacción, sería aun mas viable la estabilidad de la coherencia cuántica del sistema.
El estudio, que por su relevancia dentro del mundo de la ciencia se ha publicado en la prestigiosa revista "Nature Physics", es de carácter teórico y contesta a la pregunta de cómo se conservan las cualidades cuánticas a lo largo de los procesos naturales.
La aplicación práctica de la FCS podría estar volcada en el campo de la energía solar fotovoltaica.
Para la construcción de las placas solares, los ingenieros replicarían y mejorarían, según ya se avanzaron las ventajas de la FCS, el proceso de la fotosíntesis natural.
La gran diferencia es que la fotosíntesis natural plantas aprovecha entorno al 90 % de la luz solar que reciben, mientras que las placas fotovoltaicas FCS aprovecharía casi el 100 %, contra las placas fotovoltaicas actuales, que en el mejor de los casos apenas aprovechan el 20%.
Balance Energético de la Fotosíntesis.
Sin duda, el Sol proporciona suficiente energía para sostener todo el funcionamiento del planeta, pero aún no sabemos aprovecharla lo suficiente. La energía fotovoltaica FCS desplazaría a cualquier tecnología actual o futura, incluida la fusión fría, por su simplicidad, renovabilidad, accesibilidad, seguridad, sostenibilidad medioambiental, ecología, economía y eficacia.
En cualquier caso, la FCS basada en la coherencia cuántica a temperatura ambiente abre la puerta a nuevas investigaciones que desarrollen nuevas células solares que mimeticen el fenómeno cuántico y tengan una eficiencia muy superior a las que se comercializan actualmente, siendo una fuente de energía disruptiva frente a las actuales, incluyendo a las que se están investigando actualmente también.
En el caso del aprovechamiento de la luz solar, se confirma que el transporte cuántico de las proteínas permite tener altas eficiencias independientemente de las condiciones ambientales.
Inclusive, podría aplicarse también al campo del almacenamiento de energía y las baterías, dado que en el proceso natural de la fotosíntesis las plantas son también capaces de guardar, utilizar o desechar la energía solar que reciben, lo cual podría ser también replicable y mejorable por la FCS.
7. De lo natural a lo sintético. Alternativas para el desarrollo de dispositivos FCS basados en Coherencia Cuántica a Temperatura Ambiente.
7.1. Con antena cuántica molecular.
Se han desarrollado efectos cuánticos en dispositivos sintéticos captadores de luz. Según se ha señalado en la revista Science, este proceso de ingeniería cuántica no solo fue posible, sino que además resultó más sencillo de lo que cabría esperar.
Los ingenieros diseñaron en concreto pequeñas moléculas capaces de mantener coherencias cuánticas de “larga” duración. Las coherencias cuánticas son una huella observable, a escala macroscópica, de la superposición cuántica, que se da en el mundo microscópico cuando un objeto cuántico posee simultáneamente dos o más valores de una cantidad observable, como su posición o su energía.
Aunque, en general, los efectos cuánticos son insignificantes para los sistemas macroscópicos, experimentos realizados en el laboratorio de química de la Universidad de Chicago, con una técnica que permite estudiar procesos dinámicos que transcurren en tiempos generalmente muy cortos, demostraron que las superposiciones cuánticas sí juegan un papel clave en la casi perfecta eficiencia cuántica de captación de luz de la fotosíntesis.
En este proceso, las antenas fotosintéticas antes mencionadas se encargan de mantener las superposiciones cuánticas, a veces durante periodos anómalamente largos.
Los organismos han desarrollado la manera de mantener dichas superposiciones cuánticas, con lo que han mejorado la eficiencia de la transferencia de energía absorbida de la luz solar, en aquellas regiones celulares en las que esta energía es transformada en energía química.
Los resultados alcanzados en la Universidad de Chicago han revelado ahora que este particular sistema de mecánica cuántica puede ser trasladado a compuestos fabricados por el ser humano.
Superposición cuántica y eficiencia energética.
Para conseguirlo, los ingenieros modificaron moléculas de una sustancia colorante orgánica hidrosoluble llamada fluoresceína, y las conectaron por pares usando una estructura rígida.
Las macromoléculas resultantes fueron capaces de recrear propiedades clave de las moléculas de clorofila presentes en los sistemas fotosintéticos. Estas moléculas son las que hacen que las coherencias cuánticas persistan durante decenas de femtosegundos a temperatura ambiente.
Puede parecer poco tiempo - un femtosegundo equivale a la mil billonésima parte de un segundo-, sin embargo, el movimiento de las excitaciones en estos sistemas (biológicos) también se produce a esta escala de tiempo ultrarrápida, lo que significa que dichas superposiciones cuánticas pueden jugar un papel importante en la transferencia de energía.
En el terreno biológico, simulaciones informáticas han demostrado de hecho que las coherencias cuánticas acaecidas en las antenas fotosintéticas evitan que las excitaciones energéticas queden atrapadas en su camino hacia el centro de reacción, donde se inicia su conversión en energía química.
Una interpretación de este hecho señala que, a medida que la excitación energética se traslada a través de la antena, se mantiene en una superposición cuántica de todas las vías posibles a la vez, de manera que sea inevitable que la energía acceda a la vía adecuada. De ahí la eficiencia energética de vegetales y bacterias en la fotosíntesis.
Para determinar si las superposiciones cuánticas de “larga” duración del compuesto artificial era similar a la de los sistemas biológicos, los investigadores “rodaron” una película del flujo de energía de las moléculas de fluoresceína, usando sistemas láser de femtosegundos.
Tres pulsos de láser controlados con precisión fueron dirigidos hacia la muestra, provocando que esta emitiese una señal óptica que fue capturada y enviada a una cámara.
El resultado fue codificado como una serie bidimensional de espectros, en la que cada espectro bidimensional constituye un fotograma de la película y contiene información sobre donde reside la energía en el sistema y qué vías ha seguido para llegar allí.
Las películas muestran la relajación de estados de alta energía hacia estados de energía más bajos a medida que avanza el tiempo, así como oscilaciones energéticas en regiones muy específicas que representarían “las huellas de la coherencia cuántica que surge de la interferencia entre diferentes estados energéticos en la superposición cuántica".
La investigación concluye que la observación de estas coherencias en sistemas sintéticos demuestra que un fenómeno cuántico tan complejo como la superposición cuántica de la fotosíntesis puede ser recreado de manera artificial.
7.2. Con antena cuántica sintética extendida para todas las longitudes de onda del espectro electromagnético, incluidas las del no visible (infrarrojas y ultravioletas) y con centros de reacción de membrana sintética de gradiente quimiosmótico de protones para una eficiencia energética teórica muy próxima al 100%.
(Propuesta de investigación y aplicación tecnológica disruptiva).
Como ya se adelantó en varias ocasiones, la FCS con antena cuántica sintética extendida para todas las longitudes de onda, incluidas las del espectro no visible (infrarrojas y ultravioletas), al eliminarse el "hooping" y el "quenching", y con centros de reacción de membrana sintética de gradiente quimiosmótico de protones, sustitutiva de la función de transferencia energética fotón-electrón llevada a cabo por la clorofila "P" en la naturaleza, mejoraría la eficiencia energética y simplificaría la fotosíntesis natural y las investigaciones llevadas a cabo hasta la fecha para mimetizarla con antenas cuánticas moleculares y centros de reacción sin estas características propuestas.
- Diez razones de por qué esta propuesta de investigación y aplicación tecnológica aporta valor y supera los desarrollos existententes:
1. Simplifica el esquema general al suprimir el "hooping" y el "quenching" de las antenas naturales al emplear antenas cuánticas artificiales extendidas para todas las longitudes de onda, incluidas las del espectro no visible (infrarrojas y ultravioletas). Se elimina el diseño y mantenimiento de los sistemas protectores (quenching) ni tampoco sistemas cuánticos de transferencia fotónica (hooping) en el dispositivo unificado sintético (DUS).
2. Mayor estabilidad de la coherencia cuántica en el DUS al involucrar menos átomos y eliminar el potencial "ruido" molecular en los "caminos cuanticos" superpuestos entre la antena cuántica y los centros de reacción en la fotosíntesis natural y/o mimetizada en los desarrollos técnicos e investigaciones actuales.
3. Mejora de la absorción fotónica con antenas cuánticas sintéticas para todas las longitudes de onda, incluidas las del espectro no visible (infrarrojas y ultravioletas). La luz del Sol que es activa para la fotosíntesis es la que se encuentra en la banda entre 400 y 700 nanómetros (nm.); la luz con 400 nm. color azul y que la luz con 700 nm. tiene color rojo. Como la clorofila absorbe mal en el centro de esta banda, los colores verdes, las hojas de los árboles son verdes (en lugar de negras). Se estima que como mínimo el 5% (y en muchos casos hasta el 10%) de la luz solar en la banda de
Diagrama energía-longitud de onda electromagnética.
4. Esto mejoraría la capacidad de generación de energía fotovoltaica en todas las latitudes e insolaciones, pero especialmente en las regiones subpolares y/o baja insolación.
5. Capacidad de producir energía por la noche al aprovechar las frecuencias infrarrojas y ultravioletas, además de la luz reflejada según el ciclo lunar.
6. Por lo tanto, mayor capacidad de almacenamiento y/o duración de la
energía acumulada.
7. Menor coste económico de fabricación teórico al ser mas simple el sistema propuesto.
8. Todavía ningún equipo investigador ha conseguido resultados plausibles, y mucho menos tecnológicamente viables por ninguna compañía aplicando la mimetización de la fotosíntesis natural, con dispositivos artificiales. Entendemos que esta propuesta sí lo sería al salvar las dificultades de replicar la coherencia cuántica por un lado y extender por otro la capacidad y eficiencia energética de las antenas y los centros de reacción.
9. Mitigaría la potencial inestabilidad introducida por el posible fenómeno del entrelazamiento cuántico entre las partículas de las antenas y los centros de reacción, al unificarlos en el DUS y eliminar los cromóforos naturales (donde se han observado los fenómenos de coherencia electrónica y deslocalizados típicos del entrelazamiento cuántico), el cual es altamente inestable en las partículas entrelazadas a temperatura ambiente y separadas por una cierta distancia, tal y como se ha comprobado experimentalmente hasta la fecha.
10. Menor coste medioambiental teórico al reducir las emisiones en la fabricación al ser un sistema simplificado, unificado y sintético, DUS, respecto de los desarrollos que se están investigando actualmente.
8. Conclusiones.
En 2007, los investigadores de Berkeley señalaron que la tecnología natural de la fotosíntesis para transferir energía de un sistema molecular a otro podría llegar a reproducirse artificialmente. Esta imitación posibilitaría el aprovechamiento de la luz del sol como fuente energética eficiente, sostenible y no contaminante. El avance de los científicos de la Universidad de Chicago podría suponer un paso adelante en esta dirección, aunque queda mucho por investigar, sobre todo en la versión de la FCS sin antena, la que promete mejores rendimientos y mas simplicidad.
La propuesta de AMBISAT, a parte de extremadamente novedosa, de tener éxito sería probablemente uno de los mayores logros de la Humanidad, proporcionando una forma de producir energía disruptiva respecto a todas las conocidas actualmente, tanto en funcionamiento actualmente como en desarrollos teóricos y prácticos a nivel de laboratorio, al valorar el conjunto de todas las características inigualables, singulares y únicas que ofrece la aplicación fotovoltaica de la FCS basada en la coherencia cuántica a temperatura ambiente y en un dispositivo unificado sintético (DUS) fundamentado en una antena cuántica sintética extendida para todas las longitudes de onda, incluidas las del espectro no visible (infrarrojas y ultravioletas) con centros de reacción de membrana sintética de gradiente quimiosmótico de protones para una eficiencia energética teórica de casi el 100%.
Obviamente, los retornos de la inversión, caso de tener éxito, serían descomunalmente desproporcionados respecto a la misma.
Un detalle final que se podría estudiar es la posibilidad de generar esta energía pero sin emitir oxigeno (fotosíntesis anoxigénica) tal y como hacen las bacterias verdes. Este caso podría ser interesante si se tiene en cuenta que el mayor contribuidor al llamado "efecto invernadero" no es el CO2, como comúnmente se cree por la mayoría de la opinión pública, sino es el vapor de agua de largo, al estar en la atmósfera en el entorno del 65 % por alrededor de un 20% el CO2.
Evidentemente, de emitirse grandes cantidades de oxígeno en el futuro derivadas de la producción energética con este sistema propuesto, aumentaría la posibilidad de que se elevase el porcentaje de vapor de agua atmosférico, y por lo tanto el calentamiento global y la precipitaciones extremas. Todo esto podría mitigarse, incluso regularse, produciendo energía anoxigénica y oxigénica según conviniese en cada momento y lugar. Una potencial aplicación colateral sería entonces la de regular el clima, fundamentalmente, forzar las precipitaciones en aquellas regiones en riesgo de sequía emitiendo oxígeno con este sistema energético propuesto.
Siendo aún más atrevidos y/o visionarios, podría ser factible el provocar precipitaciones en los desiertos para transformarlos en sabanas como parece que fueron al inicio del periodo neolítico. Volver a un planeta Tierra mas húmedo que el actual, sostenible medioambientalmente, libre de contaminantes debidos a la producción energética y regulable climáticamente hasta cierto punto, dentro de la imprecidibilidad de los sistemas no lineales que gobiernan los fenómenos atmosféricos.
Anexo I.
EL FUNCIONAMIENTO DEL APARATO FOTOSINTÉTICO PUEDE SER EVALUADO A TRAVÉS DE MEDIDAS DE FLUORESCENCIA.
La radiación que incide sobre una hoja puede ser absorbida por los pigmentos o perdida mediante reflexión o trasmisión (la radiación que atraviesa a la hoja sin ser absorbida). Sin embargo, no todos los fotones absorbidos por los pigmentos son utilizados en los procesos fotoquímicos. La capacidad de una planta de utilizar los fotones absorbidos en los procesos fotoquímicos es limitada y depende de factores, los estreses causados por las condiciones ambientales (sequía, helada, etc.).
El exceso de energía que no se utiliza en las reacciones fotoquímicas debe ser eficientemente disipada mediante procesos no fotoquímicos. Tales procesos incluyen la emisión de calor y la re-emisión de la energía absorbida con longitudes onda más largas, que van del rojo al rojo lejano. Esta re-emisión de luz se denomina fluorescencia de la clorofila.
Cada uno de los procesos mencionados antes son competitivos y cualquier cambio en la utilización de la energía por alguno de estos procesos producirá un cambio complementario en los otros. Este hecho posibilita que la fluorescencia de la clorofila pueda ser usada como una forma confiable y no invasiva de evaluar los procesos fotoquímicos.
Si se realiza un espectro de fluorescencia sobre una hoja se podrán observar dos máximos, uno a 685 nm que corresponde a fluorescencia del PSII y otro más pequeño a los 730 nm atribuido al PSI. A temperatura fisiológica, aproximadamente un 95% de la señal de la fluorescencia de la clorofila deriva de las moléculas de clorofila asociadas al fotosistema II. La señal de la fluorescencia de tejidos iluminados puede ser detectada con un equipo óptico- electrónico (fluorímetro).
La forma típica de realizar la medida de fluorescencia consiste en iluminar una hoja intacta, previamente adaptada a la oscuridad, con una luz de baja intensidad y luego aplicar un pulso de luz saturante, el registro de la fluorescencia emitida se realiza a lo largo del tiempo como se muestra en la figura.
El nivel Fo corresponde a la pérdida de una parte de la energía absorbida por las moléculas antenas antes que éstas hayan podido transferir la energía de excitación hacia los centros de reacción.
El aumento de la fluorescencia desde Fo a Fm, su valor máximo, se debe a la reducción total del pool de QA, el primer aceptor electrónico del FSII.
Los parámetros Fo y Fm permiten calcular la eficiencia cuántica máxima del FSII, que está dada por la relación Fv/Fm = (Fm-Fo)/Fm.
En hojas saludables, este valor es cercano a
proporción de centros de reacción del FSII están dañados, un fenómeno llamado fotoinhibición.
Gráfica de la Evolución de la Fluorecencia en el Tiempo. Eficiencia Cuántica Máxima del FSII dado por la relación entre Fv y Fm.
En hojas saludables, este valor es cercano a 0.8. Un valor inferior indica que una proporción de centros de reacción del FSII están dañados, un fenómeno llamado fotoinhibición.
Autor: José Carlos Gil Jara
Fecha: Junio 2014
