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México encabeza desarrollo de Materiales de Energía Limpia

  • El reto presentado por nuestro país es coordinado por el Dr. Alán Aspuru-Guzik (Universidad de Toronto), y el Dr. Carlos Amador Bedolla (Facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México).

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Los adelantos en las tecnologías energéticas son esenciales para enfrentar el desafío global del cambio climático. Es por ello que 23 países (entre ellos México) y la Unión Europea lanzaron, junto con el Acuerdo de París en 2015 el programa Misión Innovación (Mission Innovation: MI), con el objetivo de estimular los avances en investigación e innovación científica para reducir las emisiones de carbono y los costos de energía limpia, además de ampliar el acceso a una energía eficiente para todas las poblaciones.

Misión Innovación es un ejemplo de cooperación global, donde México se posicionó al frente de la creación nuevos materiales de energía limpia, al presentar en enero de 2018 el informe "Plataforma de aceleración de materiales: Aceleración del descubrimiento de materiales de energía avanzada mediante la integración de métodos de alto rendimiento con inteligencia artificial", resultado de un taller realizado en 2017, que reunió a más de un centenar de científicos líderes de todo el mundo para definir los desafíos, las oportunidades y las necesidades de investigación relacionadas con el descubrimiento de materiales.

México encabeza desarrollo de Materiales de Energía Limpia

Esto le permitió al país ubicarse como líder de la iniciativa “Materiales de Energía Limpia”, a la que se sumó el Gobierno de Canadá, y que tiene el objetivo de acelerar el descubrimiento de materiales que amplíen las oportunidades para crear nuevas tecnologías y mercados en una economía baja en carbono.

México se incorporó a la iniciativa Misión Innovación en diciembre de 2015 y participó activamente en la definición de los ocho retos de innovación: Redes Eléctricas Inteligentes; Acceso a la Electricidad; Captura de Carbono; Biocombustibles Sostenibles; Conversión de la Luz Solar; Materiales de Energía Limpia; Calefacción y refrigeración Asequible de Edificios; Hidrógeno Renovable y Limpio. El reto presentado por nuestro país es coordinado por el Dr. Alán Aspuru-Guzik (Universidad de Toronto), y el Dr. Carlos Amador Bedolla (Facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México).

Además de encabezar junto a Canadá la iniciativa “Materiales de Energía Limpia”, nuestro país brinda apoyo activo a los siguientes retos de Misión Innovación: “Captura Uso y Almacenamiento de Carbono”, donde colabora junto a especialistas del Reino Unido y los Emiratos Árabes Unidos; “Biocombustibles Sostenibles”, y “Redes Eléctricas Inteligentes”.

El proyecto de México ante el programa Misión Innovación busca duplicar la inversión en energía renovable a lo largo de cinco años. Este compromiso se ratificó en 2018, en el marco de la entrega del Premio a la Innovación Científica y Tecnológica en Ingeniería en el sector energético, cuando el Secretario de Energía anunció una inversión de más 3 mil millones de pesos (de los cuales 72% será financiado a través del Fondo de Sustentabilidad Energética y el resto con capital de empresas e instituciones académicas) para que México pudiera quintuplicar sus inversiones en investigación y desarrollo de energías limpias acorde a los compromisos con Misión Innovación.

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De acuerdo con datos proporcionados por la Secretaría de Energía, al finalizar la tercera reunión ministerial de Misión Innovación 2018, en Malmö, Suecia, México ya había superado el objetivo de duplicar la inversión, con 2,464 mdp entregados a distintos proyectos. Por ello es que junto a Canadá se busca acelerar el descubrimiento de nuevos materiales, en diferentes fases, para beneficiar a la población global en el desarrollo de la investigación y la aplicación científica en el país. Una de esas aplicaciones es el uso de celdas solares baratas en superficies no convencionales. Por su clima, México podría beneficiarse mediante la habilitación de dispositivos sobre los techos de las viviendas de los cuales se obtenga energía solar.

Sin embargo, la obtención de energía no es suficiente; una solución integral al problema energético implica encontrar modelos factibles de almacenamiento masivo de energía, como el uso de las baterías de flujo. Estas consideran la búsqueda de los mejores reactivos basados en sustancias orgánicas para ser aplicados en los dispositivos. Los componentes que sirven como electrolitos en este tipo de baterías líquidas suelen ser metales escasos como el vanadio o metales preciosos como el platino.

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Durante su estancia en la Universidad de Harvard en 2013, el grupo de trabajo del Dr. Aspuru-Guzik encontró un tipo de molécula electroactiva que funciona eficazmente como el vanadio, pero a costo menor: las quinonas, cuya función en las plantas y los animales es guardar energía.

Además del precio, las quinonas presentan una mayor solubilidad que los metales, lo que incrementa su densidad energética. Así, la ventaja de utilizar baterías de flujo es que los químicos (soluciones de electrolitos) se bombean desde tanques externos a un área dónde reaccionan (célula electroquímica) por determinado tiempo para generar energía eléctrica y almacenarla, para después regresar a los tanques externos. Esto permitiría un abasto regular de energía a diferencia de la solar o la eólica, que sólo se producen cuando el sol brilla o el viento sopla.

La iniciativa compartida entre México y Canadá ha integrado aspectos de la investigación y de la tecnología, como el empleo de la inteligencia artificial en robots para acelerar el cálculo, la predicción y la síntesis de las propiedades de las moléculas orgánicas que puedan convertir la energía solar en energía eléctrica. El Dr. Amador Bedolla comentó que “este trabajo implica aspectos sociales y técnicos. Para ello hay que invitar a diversas áreas de la investigación para que dirijan sus esfuerzos a la dirección conjunta”.

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Ambos académicos señalaron que el trabajo contempla también la inclusión de la inteligencia artificial y la automatización a través de robots que incrementan el descubrimiento de nuevos materiales con plataformas de aceleración que integren los procesos de investigación como: el cálculo, la síntesis y la caracterización automatizadas de los materiales de estudio; este caso, de moléculas. La propuesta que actualmente desarrolla Aspuru-Guzik será capaz de calcular estadísticamente las propiedades electrónicas de una molécula por hora, y de 48 moléculas cada dos días.

Las propiedades a las que se refieren están presentes en las moléculas orgánicas constituidas de carbono, hidrógeno, oxígeno, azufre y fósforo y que tienen la capacidad de absorber la radiación electromagnética y convertirla en corriente eléctrica a través de un efecto fotovoltaico; transformando la energía solar en energía eléctrica. “Los avances en computación permiten a los químicos teóricos realizar trabajos con aplicaciones. Se pueden inventar, predecir, hacer cosas basadas en materiales específicos que antes no se podían hacer”, explicó el Dr. Carlos Amador Bedolla al destacar el avance en la investigación de las baterías de flujo, cuyo objetivo es buscar los mejores reactivos basados en sustancias orgánicas para ser aplicados en esos dispositivos.

Las estimaciones de tiempo y costo por parte del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC, por sus siglas en inglés) para comercializar un material que atienda un problema asociado a los efectos del cambio climático es de alrededor de 10 años y 10 millones de dólares. La iniciativa de México apunta a reducir la estimación del IPCC, a través de una reinvención (de inicio a fin) de la cadena productiva científica.

Al respecto, los investigadores recordaron que una aplicación de la innovación en los materiales fue el desarrollo del convertidor catalítico para los automóviles que circulan en ciudades con alta densidad poblacional, pues esta unidad es utilizada para controlar y reducir los gases contaminantes que son expulsados por el motor de combustión interna en los vehículos que utilizan gasolina o diesel.

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El taller de “Desafío de Innovación de Materiales de Energía Limpia”, celebrado en septiembre de 2017 en la Ciudad de México, fue la primera ventana de participación donde más de 150 investigadores de todo el mundo definieron los retos, las oportunidades y las necesidades fundamentales de investigación relacionadas con el descubrimiento de materiales. En la reunión se analizó cómo la inteligencia artificial y la robótica combinadas con las ciencias de los materiales y otros métodos avanzados podrían acelerar el desarrollo de nuevos materiales para todas las tecnologías de energía limpia.

Las Plataformas de Aceleración de Materiales (PAMs) propuestas podrían reducir el tiempo promedio para desarrollar un nuevo material útil de 20 años a uno o dos años. De este taller se derivó el informe "Plataforma de Aceleración de Materiales: Aceleración del Descubrimiento de Materiales de Energía Avanzada mediante la Integración de Métodos de Alto Rendimiento con Inteligencia Artificial", que recomendó seis áreas clave que deberán desarrollarse para crear estas plataformas de aceleración de materiales:

Laboratorio de la Facultad de Química. UNAM

  • Laboratorios de “conducción autónoma” que diseñen, realicen e interpreten experimentos de forma automática.
  • El desarrollo de formas específicas de IA para el descubrimiento de materiales.
  • Plataformas de robótica de materiales modulares que puedan ser ensamblajes de bloques de construcción modulares para síntesis y caracterización.
  • Investigación adicional en métodos computacionales para diseño inverso.
  • Nuevas metodologías para unir la longitud y los plazos asociados con la simulación de materiales.
  • Infraestructura sofisticada de datos y plataformas de intercambio.

Los avances de la iniciativa coordinada por México y Canadá se presentarán en la próxima reunión de Misión Innovación que se realizará en la ciudad de Vancouver, Canadá, a fines de mayo; en la que se espera que un mayor número de investigadores e instituciones se sumen a las labores de desarrollo y aplicaciones específicas de Materiales de Energía Limpia.

Para más información: Conacyt

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