Casi todos los seres vivos de este planeta funcionan con energía solar. El mecanismo es sencillo: las plantas convierten la luz solar en energía química. Los animales comen las plantas. Los humanos comen los animales o las plantas. Quemamos madera, carbón o cultivos procesados para obtener calor. El petróleo es simplemente biomasa antigua que se fosilizó durante millones de años. Incluso los biocombustibles de primera generación proceden del maíz, la caña de azúcar o el aceite vegetal. Es un circuito cerrado.
El bucle está roto.
El petróleo es un desastre. Crea inestabilidad geopolítica. Contamina. Los biocombustibles de primera generación no son neutros en carbono. Requieren quemar otros combustibles para refinarse. El mayor problema es el uso de la tierra. Cuando se convierten los cultivos alimentarios en combustible, la oferta disminuye. Los precios se disparan. El hambre aumenta. Sigue la tensión política.
¿Existe una mejor manera?
Los investigadores están mirando desde un ángulo diferente. Quieren energía de los cultivos sin matarlos. Quieren utilizar tierras que no son aptas para la alimentación. Quieren que los microbios hagan el trabajo pesado. Este es el concepto central detrás de las pilas de combustible microbianas vegetales.
Las plantas reciben el protagonismo. Los microbios tienen la culpa. Ambos son esenciales. Las cianobacterias forman la base de la cadena alimentaria. Los microbios intestinales nos ayudan a digerir. Las bacterias del suelo reciclan los desechos y los convierten en nutrientes para las plantas. Durante décadas, los científicos estudiaron este metabolismo microbiano. Querían cosechar la energía.
En la década de 1970, tenían un prototipo.
Estos primeros dispositivos se denominaron pilas de combustible microbianas. Generan electricidad a través de reacciones químicas impulsadas por microbios. La salida es de baja potencia. Pero es renovable. Los MFC pueden monitorear los contaminantes. Pueden ayudar a limpiar el agua. Pueden desalinizar. Pueden alimentar sensores remotos.
Hay una limitación.
Los CMF necesitan alimentos. Por lo general, esos alimentos son desechos orgánicos que se encuentran en las aguas residuales. Los investigadores se dieron cuenta de algo simple. Las plantas excretan azúcares al suelo. Esto es un desperdicio desde la perspectiva de la planta. Es combustible para los microbios del suelo. Es un buffet interminable alimentado por energía solar. ¿Por qué recolectar los desechos cuando puedes simplemente conectarte a la raíz viva?
La idea se afianzó.
En 2008, empezaron a aparecer artículos. Se anunciaron los primeros MFC impulsados por plantas. El potencial era claro. La tecnología es escalable. En las regiones en desarrollo, las aldeas podrían llegar a ser autosuficientes. Las granjas podrían alimentarse por sí mismas. En las naciones industrializadas, podríamos reducir nuestra huella de carbono. Podríamos extraer energía de los humedales. Podríamos utilizar invernaderos. Podríamos integrarlos en biorrefinerías.
Suena demasiado bueno para ser verdad.
Pero es sólo una nueva interpretación de una vieja idea. Se trata de pilas de combustible microbianas vegetales. Son verdes. Están tranquilos. Recién están comenzando.
La química del poder vivo
Se podría pensar que la electricidad necesita cables y redes, pero la naturaleza ha estado operando sus propias microplantas de energía bajo nuestros pies durante eones. No es magia. Es simplemente biología con un toque eléctrico.
Las plantas son máquinas de fotosíntesis muy ocupadas. Toman la luz del sol, la convierten en energía química y la almacenan en forma de azúcares. Pero no se quedan con todo. Exudan desechos a través de sus raíces hacia la rizosfera. Esa es la zona del suelo directamente influenciada por las secreciones de las raíces. Las bacterias viven allí. Se alimentan de los azúcares y proteínas que escupe la planta.
Esta relación es el motor de una pila de combustible microbiana vegetal (PMFC). La planta proporciona el combustible. Las bacterias proporcionan el mecanismo. Mientras brille el sol y la planta permanezca verde, las bacterias tendrán un billete de comida. Y esa comida genera electricidad.
Sí, la primera ley de la termodinámica todavía se aplica. No se puede obtener energía de la nada. El sol es la fuente externa. Pero la conversión ocurre ahí mismo, en la tierra.
Cómo los microbios convierten los alimentos en corriente
Entonces, ¿cómo crea chispa el consumo de azúcar? Es química. En concreto, se trata de dividir una reacción por la mitad.
En un modelo estándar de combustión o respiración, la glucosa y el oxígeno reaccionan para producir dióxido de carbono y agua. La ecuación parece limpia:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
Pero las células no hacen eso de un solo gran salto. Lo dividen en pasos. Algunos de esos pasos intermedios liberan electrones. Los electrones son lo que necesitamos para la corriente.
En lugar de la reacción completa, el proceso microbiano se divide así:
C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 24H+ + 24e-
¿Observas los electrones (e-) en el lado derecho? Esos son los agentes libres. Quieren ir a alguna parte. Quieren combinarse con el oxígeno.
Esta división define las dos mitades de la pila de combustible.
La primera mitad ocurre en la rizosfera. Es oscuro, húmedo y lleno de bacterias que descomponen los exudados de las raíces. Las raíces de las plantas, los desechos y los microbios comparten este espacio.
La segunda mitad está al otro lado de una membrana permeable. En la naturaleza, esa membrana es el límite entre el suelo y el agua. Allí es rico en oxígeno.
El Circuito Está Cerrado
Aquí es donde ocurre la magia. Los protones (H+) y los electrones (e-) de la primera mitad necesitan encontrarse con oxígeno para completar la reacción.
En la segunda cámara, se combinan con el oxígeno para formar agua:
6O2 + 24H+ + 24e- → 12H2O
Los protones fluyen a través de la membrana de intercambio iónico. Esto crea una carga neta positiva. ¿Los electrones? No pueden cruzar la membrana. Entonces toman el camino más largo. Fluyen a través de un cable externo para llegar al lado del oxígeno.
Ese flujo es actual. Listo. Acabas de alimentar algo usando desechos vegetales.
Eliminación de problemas potenciales
Suena perfecto. Energía limpia. Sin partes móviles. Pero hay problemas.
No entendemos completamente cómo los electrodos afectan el entorno de las raíces. Insertar sondas metálicas en el suelo lo cambia todo. Podría reducir la disponibilidad de nutrientes. Podría debilitar el sistema inmunológico de una planta. Si la planta muere, la pila de combustible se detiene.
Luego está el problema de la ubicación. Los PMFC funcionan mejor en humedales y tierras de cultivo. Estas son tierras protegidas. La aprobación ambiental para la instalación de electrodos en humedales protegidos será una pesadilla legal.
Sin embargo, existe una ventaja potencial. Las pilas de combustible microbianas en las aguas residuales pueden oxidar el amonio y reducir los nitratos. La escorrentía agrícola es un gran problema para los humedales. Si los PMFC pueden ayudar a limpiar esa agua mientras generan energía, podrían compensar el riesgo ambiental.
Es una compensación. Estamos analizando una tecnología que podría curar la tierra y al mismo tiempo darle energía. Pero necesitamos saber exactamente qué le hacen esos electrodos a las raíces antes de plantarlos en todas partes.
La ciencia es sólida. La ingeniería es confusa. El futuro es turbio.
Los límites de la electricidad verde
Mire una configuración de PMFC en 2012. Parece un jardín. En concreto, un jardín humedal. En el suelo crecen mannagrass, arroz, cordgrass o caña gigante. Cables de colores salen de la tierra. Esa es la única pista de que se está generando energía.
No producen mucha energía. Aún no. Sólo funcionan en agua.
Pero la ciencia está avanzando. Los investigadores están motivados por un problema mayor: el conflicto entre alimentos y energía. Los biocombustibles ponen a prueba el suministro mundial de alimentos. Los PMFC ofrecen una salida. No requieren drenar los arrozales. Los agricultores pueden seguir cultivando alimentos. Las aldeas pueden instalar estos sistemas en los humedales. Las zonas con suelos pobres pueden generar energía sin robar tierras cultivables.
Los invernaderos podrían funcionar durante todo el año. ¿Campos abiertos? Eso depende de la temporada.
La energía local reduce la necesidad de enviar combustible. Menos envío significa menos emisiones de carbono. Suena como una victoria.
Hay un cuello de botella. Uno grande. La planta misma.
La fotosíntesis es ineficiente. Los cloroplastos sólo absorben luz en el rango de 400 a 700 nanómetros. Eso es el 45 por ciento de la radiación solar. El resto rebota. Las plantas desperdician el resto.
Las plantas C3 y C4 manejan esto de manera diferente. Las plantas C3 forman primero moléculas de tres carbonos. Constituyen el 95 por ciento de las especies. Árboles, trigo, arroz. Su eficiencia teórica tiene un límite del 4,6 por ciento. En realidad, alcanzaron el 70 por ciento de eso. Alrededor del 3,2 por ciento.
¿Plantas C4? Maíz. Caña de azúcar. Forman moléculas de cuatro carbonos. Son mejores. Límite teórico: 6 por ciento. Límite práctico: alrededor del 4,2 por ciento.
Luego viene el suelo. Sólo el 20 por ciento de la biomasa vegetal llega a la zona de las raíces. La rizosfera. A partir de ahí, sólo el 30 por ciento se convierte en alimento para los microbios. Los microbios hacen su trabajo. Escupen electrones.
Los PMFC capturan el 9 por ciento de esa energía microbiana en forma de electricidad.
Haz los cálculos.
Para plantas C3: 0,70 x 0,046 x 0,20 x 0,30 x 0,09.
Resultado: 0,017 por ciento de conversión de energía solar a eléctrica.
Para plantas C4: 0,70 x 0,060 x 0,20 x 0,30 x 0,09.
Resultado: 0,022 por ciento.
Números diminutos. Pero algunos investigadores piensan que estos modelos son demasiado pesimistas. Si el potencial es mayor, los consumidores ganan.
Esperanza de hidrógeno
Las pilas de combustible están ganando terreno. Dan a los coches más autonomía que las baterías. Se adaptan mejor a vehículos grandes. El interés aumentó a finales de 2012.
Las pilas de combustible de hidrógeno parecen verdes. No lo son. Para producir hidrógeno se necesitan enormes cantidades de electricidad. El proceso no es neutro en carbono. Derrota el propósito.
Los PMFC producen gas hidrógeno de forma natural. A través del mismo proceso microbiano que genera electricidad. Esta podría ser la clave para una verdadera producción de hidrógeno verde.
Del petróleo a las rejas de arado
El paso del petróleo a las plantas no se trata sólo de combustible. Se trata de uso de la tierra. Se trata de detener la competencia entre alimentos y energía. Los humedales se convierten en centrales eléctricas. Los arrozales se convierten en sistemas híbridos. El suelo trabaja más. La red se vuelve más limpia.
La eficiencia es baja. La tecnología es joven. Pero la alternativa (excavar la tierra en busca de petróleo) parece cada vez más obsoleta. Las raíces están listas.
La tecnología no es perfecta. Las pilas de combustible microbianas vegetales (PMFC) están atrapadas en un tira y afloja. El sustrato debe soportar las raíces de las plantas y al mismo tiempo facilitar la transferencia de electrones. Estos dos objetivos a menudo luchan entre sí. Toma los niveles de pH. Si la acidez difiere entre las dos cámaras celulares, los iones atraviesan la membrana para equilibrar las cosas. Esto provoca un cortocircuito en la tensión. El potencial eléctrico cae. Los ingenieros tienen que resolver esto.
Si solucionamos los problemas, el potencial es asombroso. Todo depende de la densidad de energía. Un estudio de 2008 fijó la producción en 21 gigajulios por hectárea al año. Eso es 5.800 kilovatios-hora por 2,5 acres. Datos más recientes sugieren que la cifra podría dispararse a 1.000 gigajulios por hectárea.
Para poner esto en perspectiva, considere la línea de base:
– Un solo barril de petróleo contiene alrededor de 6 gigajulios de energía química.
– Europa tiene 13,7 millones de agricultores. El tamaño medio de las explotaciones es de 12 hectáreas.
– Estados Unidos tiene 2 millones de agricultores. El tamaño medio de las explotaciones agrícolas es de 180 hectáreas.
Ejecute los números. Si sólo el 1 por ciento de las tierras agrícolas de Estados Unidos y Europa cambiaran a tecnología de células de combustible microbianas vegetales, el rendimiento sería enorme. Europa podría generar 34,5 millones de gigajulios al año. Estados Unidos podría alcanzar los 75,6 millones de gigajulios.
Compare eso con el consumo. En 2010, los 27 países de la UE quemaron 1.759 millones de toneladas equivalentes de petróleo (TEP). Eso equivale a 74,2 mil millones de gigajulios. O 20,5 billones de kilovatios-hora. TOE es la métrica estándar para comparar fuentes de energía. Una tonelada equivalente de petróleo.
En este modelo simplificado, los PMFC son una gota en el océano. Una caída enorme, pero sigue siendo una caída en comparación con la demanda total. Sin embargo, es una caída libre de contaminación. Proviene de campos verdes, no de chimeneas o turbinas eólicas que matan pájaros.
Esto es sólo el comienzo. Los investigadores están diseñando bacterias que comen desechos más rápido. Entre 2008 y 2012, los ajustes en la química del sustrato duplicaron la producción eléctrica en algunas pruebas. PlantPower, un actor clave en este campo, afirma que los PMFC perfeccionados podrían suministrar el 20 por ciento de la energía primaria de Europa. Se trata de energía extraída directamente de fuentes naturales y no transformadas.
El costo sigue siendo la barrera. Deben ser más baratos y más eficientes antes de su adopción generalizada. El progreso está sucediendo. Los fabricantes están abandonando los metales preciosos por electrodos de tela de carbono conductores. Ahorra dinero. En 2012, ejecutar una instalación de un metro cúbico en un laboratorio costaba 70 dólares.
Piense en los beneficios secundarios. Eliminación de contaminantes. Reducción de gases de efecto invernadero. Si los inversores y los gobiernos ven el valor, las PMFC podrían convertirse en las centrales eléctricas del futuro. O tal vez simplemente planten la semilla de algo aún mejor.
