Cómo funcionan las pilas de combustible microbianas vegetales

Las plantas convierten la luz solar en compuestos orgánicos que, cuando son consumidos por otras formas de vida, transmiten la energía del sol al resto de la red alimenticia. Como humanos, accedemos a esta energía almacenada a través de la digestión y quemando plantas crudas o procesadas. El petróleo es solo materia orgánica muerta hace mucho tiempo transformada por fuerzas geológicas, y los biocombustibles de primera generación se extraen del maíz, la caña de azúcar y el aceite vegetal [fuente: The New York Times ].

Desafortunadamente, el petróleo está tan repleto de problemas ambientales y de seguridad como lo está la energía, y los biocombustibles de primera generación, que se refinan al quemar otros combustibles, no alcanzan la neutralidad de carbono. Peor aún, a medida que los cultivos alimentarios mundiales literalmente pierden terreno frente a la producción de biocombustibles, la creciente escasez hace subir los precios de los alimentos, el hambre y la inestabilidad política [fuente: The New York Times ].

Pero, ¿y si hubiera una manera de tener nuestro arroz y quemarlo también? ¿Qué pasaría si pudiéramos obtener energía de los cultivos sin matarlos, o generar energía usando plantas y tierras que no se necesitan para la alimentación, todo a través del poder de los microbios? Esa es la idea detrás de las celdas de combustible microbianas de plantas ( PMFC ).

Cuando se trata de hacer que la vida funcione, las plantas pueden obtener toda la buena prensa, pero es el microbio tan vilipendiado el que mantiene unida la cadena alimenticia. Específicamente, las cianobacterias ayudan a formar su base; los microbios intestinales nos ayudan a digerir los alimentos; y las bacterias del suelo convierten los desechos resultantes en nutrientes que las plantas pueden usar.

Durante décadas, los investigadores han buscado posibles formas de extraer energía de este metabolismo microbiano. En la década de 1970, sus esfuerzos comenzaron a dar frutos en forma de celdas de combustible microbianas ( MFC ), dispositivos que generan electricidad directamente a partir de una reacción química catalizada por microbios [fuente: Rabaey y Verstraete ]. Los MFC ofrecen opciones renovables de bajo consumo para monitorear contaminantes, limpiar y desalinizar agua y alimentar sensores e instrumentos remotos.

Hay una trampa, por supuesto: los MFC solo funcionan mientras tienen algo para comer, por lo general, material orgánico en las aguas residuales [fuentes: Deng, Chen y Zhao ; ONR ]. Los investigadores se dieron cuenta de que podían entregar esos desechos, un buffet interminable alimentado por energía solar, directamente a los microbios del suelo desde las plantas mismas, y se plantó la semilla de una idea.

En 2008, los investigadores publicaron artículos que anunciaban el primero de estos MFC alimentados por plantas, y el potencial se hizo cada vez más claro [fuentes: Deng, Chen y Zhao ; De Schamphelaire et al. ; Strick et al. ]. Usando esta tecnología escalable, las aldeas y las granjas en los países en desarrollo podrían volverse autosuficientes, mientras que las naciones industrializadas podrían reducir sus huellas de gases de efecto invernadero extrayendo energía de los humedales, invernaderos o biorrefinerías [fuentes: Doty ; PlantPower ].

Los PMFC, en resumen, son un giro más nuevo y más ecológico en las "centrales eléctricas", tal vez.

1. No hay lugar como Loam
2. PMFC: ¿todo mojado o sobresaliente en su campo?
3. Del petróleo a las rejas de arado

Resulta que el suelo está lleno de potencial (eléctrico) sin explotar.

A medida que las plantas verdes se dedican a la fotosíntesis , convirtiendo la energía de la luz solar en energía química y luego almacenándola en azúcares como la glucosa, exudan productos de desecho a través de sus raíces hacia una capa de suelo conocida como rizosfera . Allí, las bacterias se alimentan de las células desprendidas de las plantas, junto con las proteínas y los azúcares liberados por sus raíces [fuente: Ingham ].

En términos de PMFC, esto significa que, mientras la planta viva, las bacterias tienen un ticket de comida y la celda de combustible genera energía. La primera ley de la termodinámica, que algunos traducen como "no existe tal cosa como un almuerzo gratis", todavía se aplica porque el sistema recibe energía de una fuente externa, a saber, el sol.

Pero, ¿cómo en la Tierra, o debajo de ella, los microbios generan electricidad simplemente consumiendo y metabolizando alimentos? Al igual que con el amor o la repostería, todo se reduce a la química.

En términos generales, los MFC funcionan separando dos mitades de un proceso electrobioquímico (metabolismo) y conectándolas juntas en un circuito eléctrico. Para entender cómo, veamos el metabolismo celular en detalle.

En el ejemplo de libro de texto que sigue, la glucosa y el oxígeno reaccionan para producir dióxido de carbono y agua [fuentes: Bennetto ; Rabaey y Verstraete ].

C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂ → 6C _O2 + 6H ₂ O

Pero dentro de las células individuales, u organismos unicelulares como las bacterias, esta declaración general pasa por alto una serie de pasos intermedios. Algunos de estos pasos liberan temporalmente electrones que, como todos sabemos, son útiles para generar electricidad. Entonces, en lugar de que la glucosa y el oxígeno reaccionen para producir dióxido de carbono y agua, aquí la glucosa y el agua producen dióxido de carbono, protones (iones de hidrógeno cargados positivamente (H ⁺ )) y electrones (e ^- ) [fuentes: Bennetto ; Rabaey y Verstraete ].

C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6H ₂ O → 6CO ₂ + 24H ⁺ + 24e ^-

En un PMFC, esta mitad del proceso define la mitad de la celda de combustible. Esta porción se encuentra en la rizosfera con las raíces de las plantas, los desechos y las bacterias. La otra mitad de la célula se encuentra en agua rica en oxígeno en el lado opuesto de una membrana permeable. En un entorno natural, esta membrana está formada por el límite suelo-agua [fuentes: Bennetto ; Rabaey y Verstraete ; Deng, Chen y Zhao ].

En la segunda mitad de la celda, los protones y electrones libres se combinan con el oxígeno para producir agua, así:

6O ₂ + 24H ⁺ + 24e ^- → 12H ₂ O

Los protones alcanzan esta segunda mitad al fluir a través de la membrana de intercambio iónico, creando una carga neta positiva y un potencial eléctrico que induce a los electrones a fluir a lo largo del cable de conexión externo. ¡Voila! Corriente eléctrica [fuentes: Bennetto ; Rabaey y Verstraete ; Deng, Chen y Zhao ].

¿Pero cuanto?

Eliminación de problemas potenciales

Determinar el impacto ambiental de las PMFC requerirá más investigación en una variedad de áreas, incluida la forma en que los electrodos afectan el entorno de la raíz. Podrían reducir potencialmente la disponibilidad de nutrientes, por ejemplo, o reducir la capacidad de una planta para combatir infecciones [fuente: Deng, Chen y Zhao ].

Además, debido a que funcionan mejor en algunas de nuestras tierras más protegidas (humedales y tierras de cultivo), los PMFC podrían enfrentar un proceso de aprobación ambiental complicado. Por otro lado, los MFC de aguas residuales pueden oxidar el amonio y reducir los nitratos, por lo que es posible que los MFC de origen vegetal puedan equilibrar el riesgo al proteger los humedales de la escorrentía agrícola [fuentes: Deng, Chen y Zhao ; molinero ; tweed ].

A partir de 2012, los PMFC no producen mucha energía y solo funcionan en ambientes acuáticos, con plantas como la hierba de maná de caña ( Glyceria maxima ), el arroz, la hierba de cordón común ( Spartina anglica ) y la caña gigante ( Arundo donax ) [fuentes: Deng, Chen y Zhao ; PlantPower ]. Si te encuentras con un campo de PMFC, como el parche de la azotea del Instituto de Ecología de los Países Bajos en Wageningen, nunca sabrás que es algo más que una colección de plantas, excepto por el colorido cableado que sale del suelo [fuente: Williams ].

Aún así, sus aplicaciones potenciales para abordar otros problemas de sostenibilidad global, incluida la presión que ejercen los biocombustibles en un sistema global de suministro de alimentos ya sobrecargado, continúa inspirando a los investigadores y al menos a una empresa exploratoria, el proyecto PlantPower de 5,23 millones de euros [fuentes: Deng , Chen y Zhao ; poder de la planta ; Tenenbaum ].

Debido a que los PMFC ya funcionan en plantas acuáticas, los agricultores y las aldeas no necesitan deshacerse de sus cultivos de arroz a base de agua para implementarlos. A mayor escala, las comunidades podrían establecer PMFC en humedales o áreas de mala calidad del suelo, evitando la competencia por la tierra entre la producción de energía y alimentos [fuente: Strik et al. ]. Los entornos fabricados, como los invernaderos, podrían producir energía durante todo el año, pero la producción de electricidad en las tierras de cultivo dependería de la temporada de crecimiento [fuente: PlantPower ].

Producir más energía localmente podría reducir las emisiones de carbono al reducir la demanda de envío de combustible, que en sí mismo es un importante contribuyente de gases de efecto invernadero. Pero hay una trampa, y es bastante significativa: incluso si las PMFC se vuelven lo más eficientes posible, aún enfrentan un cuello de botella: la eficiencia fotosintética y la producción de desechos de la planta misma.

Las plantas son sorprendentemente ineficientes para transformar la energía solar en biomasa. Este límite de conversión surge en parte de factores cuánticos que afectan la fotosíntesis y en parte del hecho de que los cloroplastos solo absorben luz en la banda de 400-700 nanómetros, que representa alrededor del 45 por ciento de la radiación solar entrante [fuente: Miyamoto ].

Los dos tipos más frecuentes de plantas fotosintéticas en la Tierra se conocen como C3 y C4, llamados así por la cantidad de átomos de carbono en las primeras moléculas que forman durante la descomposición del CO ₂ [fuentes: Seegren, Cowcer y Romeo ; SERC ]. El límite de conversión teórico para las plantas C3, que constituyen el 95 por ciento de las plantas en la Tierra, incluidos los árboles, alcanza un máximo de 4,6 por ciento, mientras que las plantas C4 como la caña de azúcar y el maíz se acercan al 6 por ciento. En la práctica, sin embargo, cada uno de estos tipos de plantas generalmente alcanza solo el 70 por ciento de estos valores [fuentes: Deng, Chen y Zhao ; Miyamoto ; SERC ].

With PMFCs, as with any machine, some energy is lost in running the works -- or, in this case, in growing the plant. Of the biomass built by photosynthesis, only 20 percent reaches the rhizosphere, and only 30 percent of that becomes available to microbes as food [source: Deng, Chen and Zhao].

PMFCs recover around 9 percent of the energy from the resulting microbial metabolism as electricity. Altogether, that amounts to a PMFC solar-to-electrical conversion rate approaching 0.017 percent for C3 plants ((70 percent of the 4.6 percent conversion rate) x 20 percent x 30 percent x 9 percent) and 0.022 percent for C4 plants (0.70 x 6.0 x 0.20 x 0.30 x 0.09) [sources: Deng, Chen and Zhao; Miyamoto; SERC].

In fact, some researchers think those assumptions may underestimate the potential of PMFCs, which can only be good news for consumers.

It's Hydromatic

Interest in fuel cells, which enable cars to cover more miles than battery power alone and are more easily implemented in large vehicles, continued to surge as of November 2012 [source: Ko]. But, while hydrogen fuel might seem green-ish, its production requires loads of electricity, which makes it anything but carbon-neutral [source: Wüst]. PMFCs, which naturally produce hydrogen gas, could offer hope for truly green hydrogen fuel production.

Like any new technology, PMFCs face a number of challenges; for instance, they need a substrate that simultaneously favors plant growth and energy transfer -- two goals that are sometimes at odds. Differences in pH between the two cell halves, for example, can bring about loss of electrical potential, as ions "short" across the membrane to achieve chemical balance [source: Helder et al. ].

If engineers can work out the kinks, though, PMFCs could hold both vast and varied potential. It all comes down to how much energy they can produce. According to a 2008 estimate, that magic number comes in at around 21 gigajoules (5,800 kilowatt-hours) per hectare (2.5 acres) each year [source: Strik et al.]. More recent research has estimated that number could go as high 1,000 gigajoules per hectare [source: Strik et al.]. A few more facts for perspective [sources: BP; European Commission]:

Based on these numbers, if 1 percent of U.S. and European farmlands were converted to PMFCs, they would yield a back-of-the-envelope estimate of 34.5 million gigajoules (9.58 billion kilowatt-hours) annually for Europe and 75.6 million gigajoules (20.9 billion kilowatt-hours) annually for America.

By comparison, the 27 European Union countries in 2010 consumed 1,759 million tons of oil equivalent (TOE) in energy, or 74.2 billion gigajoules (20.5 trillion kilowatt-hours). TOE is a standardized unit of international comparison, equal to the energy contained in one ton of petroleum [sources: European Commission; Universcience].

In this simplified scenario, PMFCs provide a drop in a very large energy bucket, but it's a pollution-free drop, and a drop generated from lush landscapes instead of smoke-belching power plants or bird-smashing wind farms .

Moreover, it's just the beginning. Researchers are already working on more efficient waste-gobbling bacteria and, between 2008 and 2012, advances in substrate chemistry more than doubled electrical production in some PMFCs. PlantPower argues that, once perfected, PMFCs could provide as much as 20 percent of Europe's primary energy -- that is, energy derived from untransformed natural resources [source: Øvergaard; PlantPower].

Los PMFC deben volverse más baratos y más eficientes antes de que puedan disfrutar de una implementación amplia, pero el progreso está en marcha. Muchos MFC ya ahorran dinero al fabricar electrodos con tela de carbono altamente conductiva en lugar de metales preciosos o fieltro de grafito costoso [fuentes: Deng, Chen y Zhao ; tweed ]. A partir de 2012, costaba $70 operar una configuración de un metro cúbico en condiciones de laboratorio.

Cuando uno considera su potencial para eliminar contaminantes y reducir los gases de efecto invernadero, ¿quién sabe? Los PMFC podrían atraer suficiente interés de los inversores y del gobierno para convertirse en las centrales eléctricas del futuro, o plantar la semilla de una idea aún mejor [fuente: Deng, Chen y Zhao ].

Nota del autor: Cómo funcionan las celdas de combustible microbianas vegetales

Si lo piensa, construir una batería que pueda funcionar con procesos digestivos bacterianos nos acerca un paso más a los cyborgs y las máquinas autoalimentadas. El cuerpo humano depende de las bacterias intestinales para convertir los alimentos en energía; si pudiéramos aprovechar este proceso para impulsar las células de combustible, entonces también podríamos impulsar implantes corporales, como marcapasos.

Los investigadores de la Escuela de Medicina de Harvard y el Instituto de Tecnología de Massachusetts ya han desdibujado esta línea, construyendo un chip cerebral alimentado por glucosa, que recolecta del líquido cefalorraquídeo recirculado [fuente: Rapoport, Kedzierski y Sarpeshkar ]. ¿Pueden los cibercerebros quedarse atrás? (Bueno, sí, probablemente).

Imagínense: ¡podríamos construir máquinas que pastan! De acuerdo, puede que no suene tan sexy como las pistolas de rayos y los cohetes, pero esas máquinas podrían permanecer activas en el campo indefinidamente sin necesidad de recargas o baterías nuevas. Una colección de MFC podría formar un intestino improvisado, extrayendo electricidad de la glucosa vegetal.

Si alguien persigue esta idea, espero que emplee PMFC. Veo manadas de robots de cerámica blanca cubiertos de Salvia hispanica , y hago la pregunta:

¿Sueñan los androides con Chia Pets eléctricas?

Artículos relacionados