Melanina combustible del futuro

Hemos logrado, por primera vez, la generación alterna de energía eléctrica mediante celdillas foto electroquímicas autorrenovables que dan esperanza.

JBN LIE

MELANINA

Hemos logrado, por primera vez, la generación alterna de energía eléctrica mediante celdillas fotoelectroquímicas autorrenovables que separan y reúnen el hidrógeno del agua. Se trata de un avance científico fundamental para poder entrar de lleno a la era del hidrógeno. Arturo Solís Herrera*

En 1990, empezamos, en mi laboratorio en Aguascalientes, a utilizar métodos computarizados para estudiar las tres principales causas de la ceguera en México. Estos métodos nos permitieron analizar la retina y el nervio en el ser vivo en forma muy semejante a la técnica denominada espectrofotometría. Es decir, se aplica una longitud de onda específica y se obtiene una imagen o respuesta característica.

Al cambiar la longitud de onda y/o poner medios de contraste y filtros, a manera de radares de penetración, se obtienen otras imágenes que brindan información importante para evaluar las enfermedades de los ojos. Durante esta investigación, detectamos la importante función de una sustancia, la melanina, también conocida químicamente como polihidroxiindol, pues posee propiedades extraordinarias y todas ellas aportan algo para proteger al tejido, pero ninguna explicaba una protección tan constante y tan completa.

Obtuvimos artificialmente los primeros 20 mililitros de melanina por primera vez en 1998, pues mi idea era que si la instilábamos en el ojo, podíamos obtener efectos terapéuticos adecuados. Los resultados terapéuticos han sido impresionantes, mucho más allá de lo que esperábamos.

Nos tomó doce años, de 1990 hasta 2002, entender cómo funcionaba tan eficazmente esta sustancia, hasta confirmar nuestra hipótesis –increíble incluso para nosotros mismos– de que le entrega hidrógeno a la célula. Es decir, capta la energía fotónica y la transforma en energía química. Esto nos dejó atónitos, pues el hidrógeno es el átomo más pequeño, más abundante en el universo, y es el acarreador de energía que más usa la naturaleza.

Para efectos de claridad definimos fotosíntesis como la absorción de los fotones de las radiaciones electromagnéticas lo que nos da como resultado el inicio de un evento iónico. Hasta hoy, se acepta a la clorofila como la única sustancia ampliamente difundida en la naturaleza que sea capaz de entregar hidrógeno a la célula vegetal.

No se concebía otra sustancia en las células eucariontes (mamíferos, peces, aves, insectos, etc.) que, a partir de captar los fotones de las radiaciones electromagnéticas, obtenga la energía necesaria para partir la molécula de agua. Los resultados obtenidos con la melanina nos confirman que no solo los vegetales realizan la fotosíntesis, sino también la efectúan todos los mamíferos, inclusive cualquier ser viviente cuyo código genético exprese la melanina. Es decir, la clorofila es al reino vegetal lo que la melanina es al reino animal.

Como se puede observar en la Fig.3, ambos compuestos tienen algunos aspectos parecidos, entre los que destaca es el centro de reacción donde se encuentran los 4 nitrógenos (las 4 N). Con la melanina pareciera que la naturaleza hizo una superclorofila, porque la clorofila tiene un solo centro de reacción, pero la melanina tiene cientos de centros de reacción por gramo de sustancia.

En diversos institutos de investigación, se ha buscado aprovechar el que la clorofila parta a la molécula del agua, para obtener hidrógeno con fines energéticos, pero resulta que una vez que se saca de la hoja, a los 20 segundos la clorofila se inactiva en forma permanente. La Universidad de California tiene 50 años tratando de mejorar esto sin obtener resultados útiles.

Esto acompañó nuestras primeras dudas: si sacamos la melanina del tejido y la ponemos a producir energía, ¿cuánto nos va a durar? ¿30 segundos, 50 segundos? Para nuestra sorpresa funciona por años, y si perfeccionamos la tecnología, probablemente funcione décadas o cientos de años. Es decir, la melanina es miles de veces más eficiente para captar las partículas elementales de las radiaciones electromagnéticas (fotones) que la clorofila.

La pregunta era ¿Cómo se extrae la energía del agua? De la molécula de agua es posible extraer energía al desligar y ligar del oxígeno los átomos de hidrógeno.

La reacción esquematizada significa que dos moléculas de agua, más melanina y en presencia de los fotones de las radiaciones electromagnéticas, simbolizada por el sol, nos da como resultado dos moléculas de hidrógeno, una molécula de oxígeno y 4 electrones de alta energía. Pero cuando la reacción sucede en sentido de derecha a izquierda, se vuelven a unir los átomos de hidrógeno y oxígeno, lo que nos da agua y electricidad, ya que la melanina no sufre cambios, pues solo soporta, cataliza la reacción sin menoscabo en su molécula.

1. Espectro de absorción de la clorofila, con sus picos de absorción en 450 manómetros y 650 manómetros.
2. Espectro electromagnético de la melanina donde se observa una mayor amplitud y eficiencia, la cual absorbe miles de veces más fotones que la clorofila.

Dos moléculas de agua más las radiaciones electromagnéticas del sol, en presencia de la melanina, nos da dos moléculas de hidrógeno, una molécula de oxígeno y cuatro electrones de alta energía. La flecha que indica la dirección de la reacción, va en los dos sentidos y cuando la reacción va de derecha a la izquierda se produce agua y electricidad, y al ser reacciones complementarias, es decir una exergónica y otra endergónica, se establece un ciclo cuya duración es de años, dado que la melanina no sufre menoscabo en sí, ya que solo soporta las reacciones.

La melanina capta la energía de los fotones, que son las partículas elementales de las radiaciones electromagnéticas y con eso extrae el hidrógeno del agua. El tiempo que tarda en recolectar la energía necesaria para partir la molécula de agua son 3 x 10-12 segundos y la reacción en la melanina es reversible.

Fig. 5. Efectos de la melanina expresados en algunos vegetales. Por ejemplo, en dos berenjenas: El código genético de una de ellas expresó la melanina, la otra no. Es indiscutible que el vegetal que pueda absorber las radiaciones electromagnéticas le significa un suministro extra de energía que le permite obtener ventajas fenomenales para la vida.

Estimamos que la tercera parte de la energía usual de que dispone el ser humano, proviene de la melanina, la luz y el agua. Pero esa tercera parte es la energía primordial, es decir, es el equivalente a la energía de activación de las reacciones químicas principales en el organismo; ya que, de acuerdo a resultados terapéuticos –que han resultado extraordinarios—la totalidad de los sistemas se apoyan en ésta de una u otra manera, ó inclusive la requieren para iniciarse y/o sustentarse (la energía química generada por la melanina a partir de la energía fotónica). Esto es congruente con los hallazgos clínicos respecto al tiempo que tolera una persona sin tomar agua. Hasta la fecha, solo se acepta que el agua constituye principalmente el solvente o diluente universal, pero si añadimos que también es, junto con la luz y la melanina, la fuente de la tercera parte del total de energía que emplea el cuerpo humano, y que además esa energía es la que inicia los procesos más importantes, como la visión, por ejemplo, entonces es más comprensible que la falta de agua solo se tolere tres días, a diferencia de la falta de alimento, que se tolera hasta tres semanas.

Fig. 6. Imagen del ojo a los 35 días de un embarazo humano. El ojo del feto está totalmente lleno de melanina. Esta sustancia es tan importante para la vida que se forma de inmediato y le provee energía a los tejidos para que se puedan llevar a cabo todas las series de reacciones que llevan a la vida.

Hemos comparado esta molécula en el ser humano con las moléculas de la melanina de otras especies y nos hemos llevado la sorpresa que la molécula es la misma en todas las especies. La NASA define la vida como un sistema químico auto-sustentable, capaz de evolucionar en forma darwiniana. La melanina es, sin duda, un muy importante precursor de la vida.

En enero del 2005, escuchando un discurso del presidente de Estados Unidos, George W. Bush, que decía Necesitamos sustancias que separen el hidrógeno del agua para poder entrar de lleno a la era del hidrógeno pensé: ¿Por qué no utilizan melanina? Me di a la tarea de encontrar la respuesta y lo resolví, no lo utilizan porque, aparte de mí, nadie más lo sabía, y sin pensarlo mucho; inicié, en junio del 2005, los trámites de la patente: Método fotoelectroquímico para la separación del agua en hidrógeno y oxígeno, utilizando como elemento electrolizante las melaninas, sus análogos, sus precursores o sus derivados.

A GENERAR ELECTRICIDAD

Otra característica fundamental de la melanina es su estabilidad en agua, lo cual es muy importante para la generación de energía. Por ejemplo, la primera muestra que logramos sintetizar en enero de 1998 empezó su noveno año sin deterioro alguno en enero del 2007. Las primeras celdas (prototipos) que ya hicimos con la finalidad de generar electricidad, empezaron en enero del 2007 su sexto semestre de estar trabajando ininterrumpidamente a temperatura ambiente.

Fig. 8. Prototipo de celdilla foto electroquímica auto renovable conectada a un voltímetro lo que permite dimensionar los cambios en el potencial eléctrico al introducir melanina (celdilla vacía).

En la figura 8 se observa el voltímetro en cero cuando el recipiente no contiene la solución de melanina; en contraste, en la figura 9, el voltímetro alcanza los 300 milivoltios y hasta 470 milivoltios al aumentar la concentración de la misma. Además, una vez sellada, la celdilla no requiere recargarse de ninguna manera.

El 13 de marzo de este año logramos prender el primer foco tipo sólido (LEDS) el cual sigue prendido seis meses después y continua prendido día y noche. Nuestras celdillas aún son elementales, pero producen energía y ya trabajamos para hacerlas mas eficientes y escalarlas con costos competitivos. Al principio, utilizamos una concentración del 1.3% de melanina y 98.7% de agua. Después, cuando elevamos a 4% la concentración de melanina, la generación de energía creció exponencialmente.

En cuanto al desarrollo tecnológico, hemos obtenido avances que considero significativos y que pueden reflejar el potencial de dicha celdilla. Por ejemplo: a principios del 2006, yo podía producir un litro y medio de melanina cada tres meses y las celdillas que tenía eran de 30 mL y producían 400 mV y unos 10 uA. En marzo del 2007, cuando pude prender por primera vez un foco de estado sólido, las celdillas que podía fabricar eran de 500 mL, producían unos 500 mV y 200 uA, pero ya podía fabricar unos 50 litros diarios de melanina. Por ejemplo, los módulos que usaba para demostración, me permitían prender un LED con 10 celdillas de 500 mL.

Recientemente, pudimos prender por primera vez un pequeño reproductor de música, pero ya cada celdilla nos produce 600 mV y hasta 200 mA, es decir, tres ceros más que los 200 uA. Actualmente, en nuestro pequeño laboratorio producimos unos 200 litros diarios de melanina.

Las perspectivas, por ahora, son principalmente iluminación. Nosotros queremos en dos años empezar a iluminar masivamente. Es decir, nos hemos fijado la meta de que en dos años ya debemos tener un diseño que valga la pena colocarlo en todos lados. En cinco años, queremos un prototipo de vehículo armado y lo más interesante es que sería un vehículo que nunca entraría a la gasolinera. Necesitamos apoyos económicos para integrar equipos interdisciplinarios para escalar la tecnología de la celda de manera eficaz y rápida, ya que nosotros soportamos nuestras profesiones y esta investigación de manera conjunta.

Consideremos que diversas naciones europeas, así como los Estados Unidos, dicen tener presupuestados cien mil millones de dólares para la eventual construcción de hidrogasolineras, o sea, gasolineras que van a entregar hidrógeno. No saben de dónde van a sacar el hidrógeno porque, por ahora, el hidrógeno se puede sacar solo del gas y del petróleo.

1. Osciloscopio conectado a la celdilla.
2. LED encendido con celdilla.

En las condiciones actuales del conocimiento, mil litros de melanina proporcionan diez mil voltios, y miliamperes, pero estas cifras pueden modificarse según las necesidades específicas, es decir, puede ser modulado según el tamaño de las celdillas, las formas que se conecten unas con otras, tamaño y disposición de los electrodos, modificaciones en la fórmula del sustrato central, etc., es decir las posibilidades casi son infinitas, y de acuerdo a Vladimir S. Bagotsky, en su libro Fundamentals of Electrochemistry, publicado por la editorial Wiley, en segunda edición, en el 2007, establece claramente en su página 22, que en este tipo de diseños, no se puede predecir, es decir hay que probar todo.

FRENTE AL ESCEPTICISMO

Nuestra propuesta se ha encontrado con escepticismo en algunos foros donde la hemos presentado, pues el concepto de que solo los vegetales, y no los mamíferos, pueden realizar la fotosíntesis –es decir, captar la energía fotónica y transformarla en energía química útil para la célula, en este caso vegetal– es muy arraigado. Sin embargo, se publicó, en mayo del 2007, el artículo Ionizing Radiation Changes the Electronic Properties of Melanin and Enhances the Growth of Melanized Fungi, escrito por Ekaterina Dadachova y colegas del Albert Einstein College of Medicine, Nueva York (PLoS ONE 2(5): e457. doi:10.1371/journal.pone.0000457).

Este artículo es muy importante, porque, por fin, un equipo independiente de investigadores también encuentra hallazgos compatibles, relacionados a nuestros conceptos de que la melanina posee la capacidad de efectuar la fotosíntesis, y también como resultado de la observación de los efectos biológicos de la misma. Esto es explicable dado que se acepta que la melanina es intratable (The Physical and Chemical Properties of Eumelanin, Paul Meredith and Tadeusz Sarna, 2006, Blackwell Munksgaard doi: 10.1111/j.1600-0749.2006.00345), lo que se refiere a que no ha sido posible discernir la estructura química de la misma, de manera que podamos inferir y/o explicar; si no todas, algunas de sus extraordinarias propiedades fisicoquímicas. Este estudio reafirma la extraordinaria dificultad de estudiar la melanina y plantea una duda muy concreta: ¿A dónde se va la energía fotónica que absorbe la melanina, que además es muchísima?

Nuestros hallazgos también se basaron en la observación de los efectos biológicos de la melanina sobre la retina humana, pero los hallazgos eran polémicos. No obstante, hemos ido avanzando tanto en el desarrollo de las aplicaciones en la generación alterna de energía, como en la elaboración de fármacos que modulan la fotosíntesis en el ser humano, atendiendo, por supuesto, todos los aspectos bioéticos y legales implícitos. Se iniciaron los trámites de otra patente en el 2006 con base a los extraordinarios resultados terapéuticos.

1. Imagen de mesa de trabajo con varias celdillas conectadas.
2. Grupo de LEDS iluminados con celdillas.

En el artículo de Ekaterina Dadachova y colegas, se afirma que los mecanismos implicados en su investigación se parecen a la forma en que las plantas obtienen energía de la fotosíntesis. Los hallazgos de este equipo deben contribuir a una más rápida aceptación de los resultados de nuestras investigaciones, permitiendo que tanto científicos como funcionarios de gobierno, así como empresarios, puedan tomar mejores decisiones en lo concerniente a integrar equipos multidisciplinarios que permitan desarrollar lo más rápido posible todas las aplicaciones tanto en el ramo de la energía, como en el área de la farmacología médica. En este último campo, la modulación farmacológica de la fotosíntesis en los humanos ha superado las expectativas que se tenían, por ejemplo en padecimientos como Alzheimer, artritis de diversos tipos, nefropatías, enteropatías, sepsis, etc.

HACIA EL FUTURO

Finalmente, hay que destacar la creciente preocupación mundial por el cambio climático. Cada año se aceleran las tendencias de calentamiento y todo indica que vamos a una situación de desastre mundial. La inminencia de catástrofes físicas, en caso de no actuar rápidamente, rebasará todas las capacidades de los gobiernos y los pueblos para mitigar y enfrentar este fenómeno y sus consecuencias, aseguran los expertos. Según todos los indicios, el cambio climático está rebasando ya las acciones previstas en el Protocolo de Kyoto.

Frente a esta situación, el desarrollo de soluciones a base de melanina ofrecen una luz al final del túnel. Yo pienso que vale la pena examinarlo y desarrollarlo seriamente. Posiblemente hacer un proyecto de país que llegue a traspasar fronteras. La demanda de una celdilla fotoelectroquímica autorrenovable eficiente, desde el punto de vista costo-beneficio, será arrolladora.

Yo solo difícilmente lo voy a lograr en el corto plazo. Por eso, estoy en una etapa de buscar apoyos no únicamente financieros, sino estratégicos, logísticos y tecnológicos, porque una tarea de ese tamaño requiere que muchas mentes cooperen brillando en su rincón. Pero es una posibilidad que hoy debe estar a nuestro alcance.

* Es médico cirujano por el Instituto Politécnico Nacional, oftalmólogo por la UNAM y neuro-oftalmólogo del INNN. Maestro en ciencias médicas por la Universidad Autónoma de Aguascalientes y doctor en farmacología de la Universidad de Guadalajara. Actualmente, es director técnico de la compañía química-farmacéutica Fórmulas Magistrales, en la ciudad de Aguascalientes.