En julio, por tercer mes consecutivo, la energía solar fotovoltaica lideró el mix de generación en España con el 24% del total, la mayor cuota de su historia, según datos de Red Eléctrica Española. Las estimaciones siguen al alza, un camino hacia la descarbonización al que contribuyen avances tecnológicos como el ingenioso sistema para que los paneles generen hasta un 80% más de energía a lo largo del año.

La clave, según muchos investigadores, reside en conseguir una mayor eficiencia cuando hay menos luz o no es directa. Es una mejora imprescindible tanto en países como el nuestro, que tienen muchas horas de sol al año, pero sobre todo en los que que los días soleados son mucho más escasos. Por eso, un equipo de ingenieros de la Facultad de Ingeniería de Tufts proponen un nuevo tipo de placas inspiradas en la morfología de una orquídea (Macodes petola jewel) capaz de prosperar en condiciones de poca luz.

En un artículo publicado en la revista Advanced Optical Materials, Giulia Guidetti y Fiorenzo Omenetto detallan la composición de las hojas de este tipo de orquídea originaria de los países de Asia tropical. Sus células tienen forma de cúpula, y eso les permite captar más del triple de luz que las de las plantas normales y 'compartirla' con las células vecinas, conformando una suerte de red óptica.

Los investigadores han conseguido replicar los patrones celulares con un biomaterial a base de proteína de seda, que podría ser la base de unas placas fotovoltaicas que "irían más allá de las células solares flexibles que existen hoy en día", afirma Omenetto, director de Silklab en Tufts, en un comunicado de prensa.

El avance podría suponer toda una revolución en el sector fotovoltaico, ya que una de sus principales debilidades es su intermitencia, propiciada por la necesidad de luz directa y constante sobre los paneles. De hecho, tras el hallazgo los investigadores están examinando otras plantas de la familia de las orquídeas joya, para fabricar réplicas de la estructura de sus hojas y encontrar maneras de captar la luz de forma aún más eficiente. 

Replicando plantas

Todo comenzó durante la pandemia, cuando Giulia Guidetti compró decenas de plantas de interior para investigar sus propiedades y sus diferencias a la hora de llevar a cabo el proceso de fotosíntesis. Su principal interés era estudiar las que tenían hojas brillantes de aspecto metálico, para descubrir las razones de ese aspecto tan peculiar.

"Las puse al microscopio y vi que la superficie de sus hojas no era plana, como las hojas normales, y que tenían un micropatrón", explica Guidetti. "Todo fue fruto de la curiosidad". Así pudo comprobar cómo algunas orquídeas joya tenían forma cónica para mejorar la conversión de luz en energía. Entre ellas comprobó cómo la Macodes petola jewel y sus células en forma de cúpula eran capaces de maximizar la captación de luz y cómo la compartían con las células más próximas.

Estas propiedades se deben a las necesidades específicas de la planta para sobrevivir y prosperar en condiciones de poca luz, bajo el manto de los árboles y el follaje selvático. "Creemos que la luz procede de la parte superior y, en lugar de concentrarse en el interior de la hoja, donde están los cloroplastos, la presencia de las cúpulas permite que la luz se distribuya por toda la superficie de la hoja, permitiendo que las células no iluminadas directamente realicen la fotosíntesis, lo que se traduce en una mayor eficiencia de fotoconversión", sostiene Guidetti.

Tras el estudio pormenorizado de los distintos tipos de células superficiales y cómo estaban conectadas entre sí, el equipo se propuso intentar replicar su estructura. Para ello, utilizaron una fina capa de un polímero de silicio como molde: aplicada a la superficie de las hojas, consiguieron una réplica en negativo. Una vez obtenida, recurrieron a una mezcla de proteínas de seda transparente (producida por gusanos de seda y procesada en una solución acuosa) para crear una copia exacta a nivel microscópico de los patrones celulares.

El circuito de la luz

Esta copia fue capaz de "reproducir fielmente" tanto la forma redonda de las células de las hojas de la orquídea como su disposición hexagonal. Así consiguieron replicar "la comunicación cruzada que se observa entre células vecinas cuando se iluminan con luz visible, de forma similar a la observada en las hojas de las plantas", según los investigadores.

Para poder 'seguir' el circuito de la luz a medida que esta se desplazaba entre las células, Guidetti y Omenetto añadieron un colorante a la seda transparente. Esto, junto a la perfecta imitación de las curvas y la flexibilidad de las hojas, permitió comprobar cómo se conseguía una mejora considerable en el acceso a la luz y a la capacidad de distribuirla por toda la superficie.

"Estas redes ópticas vivas basadas en plantas podrían servir de fuente de inspiración para el diseño de materiales funcionales que cosechen, manipulen y procesen la luz de forma eficiente con formatos materiales que sean suaves, robustos y sostenibles, como se ha demostrado preliminarmente al replicar la estructura viva de la hoja", escriben Guidetti y Omenetto en el artículo.

Así, este descubrimiento se considera como "la primera demostración de redes ópticas en un sistema vivo", un posible paso inicial hacia el desarrollo de paneles solares más delgados, flexibles y eficientes. Para ello todavía faltan años de investigación y nuevas pruebas, entre ellas la comprobación de cómo afecta al funcionamiento de la red de distribución de luz el cambio en las condiciones de iluminación en las orquídeas joya.