Investigadores han fabricado ‘rascacielos’ microscópicos para comunidades de bacterias para ayudarlas a generar electricidad con sólo la luz del sol y agua.
Según publican en la revista ‘Nature Materials’, investigadores de la Universidad de Cambridge utilizaron la impresión en 3D para crear redes de ‘nanoviviendas’ de gran altura en las que las bacterias amantes del sol pudieran crecer rápidamente. A continuación, pudieron extraer los electrones residuales de las bacterias, sobrantes de la fotosíntesis, que podrían utilizarse para alimentar pequeños aparatos electrónicos.
Otros equipos de investigación han extraído energía de bacterias fotosintéticas, pero los investigadores de Cambridge han descubierto que si se les proporciona el tipo de hogar adecuado, la cantidad de energía que pueden extraer aumenta en más de un orden de magnitud. El método es competitivo frente a los métodos tradicionales de generación de bioenergía renovable y ya ha alcanzado eficiencias de conversión solar que pueden superar a muchos métodos actuales de generación de biocombustibles.
Sus resultados abren nuevas vías en la generación de bioenergía y sugieren que las fuentes «biohíbridas» de energía solar podrían ser un componente importante en la combinación de energías con cero emisiones de carbono.
Las tecnologías renovables actuales, como las células solares basadas en el silicio y los biocombustibles, son muy superiores a los combustibles fósiles en cuanto a las emisiones de carbono, pero también tienen limitaciones, como la dependencia de la minería, los problemas de reciclaje y la dependencia de la agricultura y el uso de la tierra, lo que provoca la pérdida de biodiversidad.
«Nuestro enfoque es un paso hacia la fabricación de dispositivos de energía renovable aún más sostenibles para el futuro», resalta la doctora Jenny Zhang, del Departamento de Química Yusuf Hamied, que dirigió la investigación.
Zhang y sus colegas del Departamento de Bioquímica y del Departamento de Ciencia de los Materiales y Metalurgia trabajan para replantear la bioenergía y convertirla en algo sostenible y escalable.
Las bacterias fotosintéticas, o cianobacterias, son la vida más abundante de la Tierra. Desde hace varios años, los investigadores intentan «reconfigurar» los mecanismos de fotosíntesis de las cianobacterias para extraerles energía.
«Ha habido un cuello de botella en cuanto a la cantidad de energía que se puede extraer realmente de los sistemas fotosintéticos, pero nadie entendía dónde estaba el cuello de botella –explica Zhang–. La mayoría de los científicos suponían que el cuello de botella estaba en el lado biológico, en las bacterias, pero hemos descubierto que un cuello de botella sustancial está en realidad en el lado material».
Para crecer, las cianobacterias necesitan mucha luz solar, como la superficie de un lago en verano. Y para extraer la energía que producen a través de la fotosíntesis, las bacterias necesitan estar unidas a electrodos.
El equipo de Cambridge imprimió en 3D electrodos personalizados a partir de nanopartículas de óxido metálico adaptadas para trabajar con las cianobacterias mientras realizan la fotosíntesis. Los electrodos se imprimieron como estructuras de pilares muy ramificados y densamente empaquetados, como una pequeña ciudad.
Desarrollaron una técnica de impresión que permite controlar múltiples escalas de longitud, lo que hace que las estructuras sean altamente personalizables, lo que podría beneficiar a una amplia gama de campos.
«Los electrodos tienen excelentes propiedades de manejo de la luz, como un apartamento de gran altura con muchas ventanas –ejemplifica Zhang–. Las cianobacterias necesitan algo a lo que puedan adherirse y formar una comunidad con sus vecinos. Nuestros electrodos permiten un equilibrio entre mucha superficie y mucha luz, como un rascacielos de cristal».
Una vez que las cianobacterias autoensambladas estaban en su nuevo hogar «cableado», los investigadores comprobaron que eran más eficientes que otras tecnologías bioenergéticas actuales, como los biocombustibles. La técnica aumentó la cantidad de energía extraída en más de un orden de magnitud con respecto a otros métodos para producir bioenergía a partir de la fotosíntesis.
«Me sorprendió que fuéramos capaces de alcanzar las cifras que logramos: se han predicho cifras similares durante muchos años, pero ésta es la primera vez que se demuestran experimentalmente –reconoce Zhang–. Las cianobacterias son fábricas químicas versátiles y nuestro enfoque nos permite aprovechar su vía de conversión de energía en un punto inicial, lo que nos ayuda a entender cómo llevan a cabo la conversión de energía para que podamos utilizar sus vías naturales para la generación de combustibles renovables o productos químicos», concluye.
