Quase todos os seres vivos neste planeta funcionam com energia solar. O mecanismo é simples: as plantas transformam a luz solar em energia química. Os animais comem as plantas. Os humanos comem os animais ou as plantas. Queimamos madeira, carvão ou culturas processadas para obter calor. O petróleo é apenas biomassa antiga que se fossilizou ao longo de milhões de anos. Até os biocombustíveis de primeira geração provêm do milho, da cana-de-açúcar ou do óleo vegetal. É um circuito fechado.
O ciclo está quebrado.
O petróleo é confuso. Cria instabilidade geopolítica. Isso polui. Os biocombustíveis de primeira geração não são neutros em carbono. Eles exigem a queima de outros combustíveis para serem refinados. A questão maior é o uso da terra. Quando você transforma culturas alimentares em combustível, a oferta cai. Os preços disparam. A fome aumenta. Segue-se a tensão política.
Existe uma maneira melhor?
Os pesquisadores estão olhando por um ângulo diferente. Eles querem energia das colheitas sem matá-las. Eles querem usar terras que não são adequadas para alimentação. Eles querem que os micróbios façam o trabalho pesado. Este é o conceito central por trás das células de combustível microbianas vegetais.
As plantas ganham destaque. Os micróbios levam a culpa. Ambos são essenciais. As cianobactérias formam a base da cadeia alimentar. Os micróbios intestinais nos ajudam a digerir. As bactérias do solo reciclam resíduos em nutrientes para as plantas. Durante décadas, os cientistas estudaram este metabolismo microbiano. Eles queriam colher a energia.
Na década de 1970, eles tinham um protótipo.
Esses primeiros dispositivos foram chamados de células de combustível microbianas. Eles geram eletricidade por meio de reações químicas impulsionadas por micróbios. A saída é de baixa potência. Mas é renovável. Os MFCs podem monitorar poluentes. Eles podem ajudar a limpar a água. Eles podem dessalinizar. Eles podem alimentar sensores remotos.
Existe uma limitação.
Os MFCs precisam de comida. Normalmente, esse alimento é resíduo orgânico em águas residuais. Os pesquisadores perceberam algo simples. As plantas excretam açúcares no solo. Isto é desperdício do ponto de vista da fábrica. É combustível para os micróbios do solo. É um buffet interminável movido a energia solar. Por que coletar os resíduos quando você pode simplesmente conectá-los à raiz viva?
A ideia pegou.
Em 2008, os artigos começaram a aparecer. Os primeiros MFCs movidos a usina foram anunciados. O potencial era claro. A tecnologia é escalonável. Nas regiões em desenvolvimento, as aldeias poderiam tornar-se auto-suficientes. As fazendas poderiam se alimentar sozinhas. Nas nações industrializadas, poderíamos reduzir a nossa pegada de carbono. Poderíamos extrair energia das zonas húmidas. Poderíamos usar estufas. Poderíamos integrá-los em biorrefinarias.
Parece bom demais para ser verdade.
Mas é apenas uma nova versão de uma ideia antiga. Estas são células de combustível microbianas vegetais. Eles são verdes. Eles estão quietos. Eles estão apenas começando.
A Química do Poder Vivo
Você pode pensar que a eletricidade precisa de fios e redes, mas a natureza tem operado suas próprias microusinas sob nossos pés há eras. Não é mágica. É apenas biologia com um toque elétrico.
As plantas são máquinas de fotossíntese ocupadas. Eles captam a luz solar, transformam-na em energia química e armazenam-na como açúcares. Mas eles não guardam tudo. Eles exalam resíduos através de suas raízes para a rizosfera. Essa é a zona do solo diretamente influenciada pelas secreções das raízes. As bactérias vivem lá. Eles comem os açúcares e proteínas que a planta cospe.
Essa relação é o motor de uma célula de combustível microbiana vegetal (PMFC). A usina fornece o combustível. As bactérias fornecem o mecanismo. Enquanto o sol brilhar e a planta permanecer verde, as bactérias terão um vale-refeição. E essa refeição gera eletricidade.
Sim, a primeira lei da termodinâmica ainda se aplica. Você não pode obter energia do nada. O sol é a fonte externa. Mas a conversão acontece ali mesmo, na terra.
Como os micróbios transformam alimentos em corrente
Então, como comer açúcar cria uma faísca? É química. Especificamente, trata-se de dividir uma reação pela metade.
Num modelo padrão de combustão ou respiração, a glicose e o oxigênio reagem para produzir dióxido de carbono e água. A equação parece limpa:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
Mas as células não fazem isso de uma só vez. Eles dividem isso em etapas. Algumas dessas etapas intermediárias liberam elétrons. Os elétrons são o que precisamos para a corrente.
Em vez da reação completa, o processo microbiano se divide assim:
C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 24H+ + 24e-
Observe os elétrons (e-) no lado direito? Esses são os agentes livres. Eles querem ir a algum lugar. Eles querem se combinar com o oxigênio.
Esta divisão define as duas metades da célula de combustível.
A primeira metade acontece na rizosfera. É escuro, úmido e cheio de bactérias que decompõem os exsudados das raízes. As raízes das plantas, os resíduos e os micróbios partilham este espaço.
A segunda metade está do outro lado de uma membrana permeável. Na natureza, essa membrana é a fronteira entre o solo e a água. Lá é rico em oxigênio.
O circuito está fechado
É aqui que a mágica acontece. Os prótons (H+) e elétrons (e-) da primeira metade precisam encontrar o oxigênio para completar a reação.
Na segunda câmara, eles se combinam com o oxigênio para formar água:
6O2 + 24H+ + 24e- → 12H2O
Os prótons fluem através da membrana de troca iônica. Isso cria uma carga líquida positiva. Os elétrons? Eles não podem atravessar a membrana. Então eles percorrem o caminho mais longo. Eles fluem através de um fio externo para chegar ao lado do oxigênio.
Esse fluxo é atual. Voilá. Você acabou de alimentar algo usando resíduos vegetais.
Eliminando problemas potenciais
Parece perfeito. Energia limpa. Sem peças móveis. Mas existem problemas.
Não entendemos completamente como os eletrodos afetam o ambiente radicular. Inserir sondas de metal no solo muda tudo. Isso poderia reduzir a disponibilidade de nutrientes. Pode enfraquecer o sistema imunológico de uma planta. Se a planta morrer, a célula de combustível para.
Depois, há a questão da localização. Os PMFCs funcionam melhor em zonas húmidas e agrícolas. Estas são terras protegidas. A aprovação ambiental para instalação de eletrodos em áreas úmidas protegidas será um pesadelo jurídico.
No entanto, há uma vantagem potencial. Células de combustível microbianas em águas residuais podem oxidar o amônio e reduzir os nitratos. O escoamento agrícola é um enorme problema para as zonas húmidas. Se os PMFCs puderem ajudar a limpar essa água enquanto geram energia, poderão compensar o risco ambiental.
É uma troca. Estamos buscando uma tecnologia que possa curar a terra enquanto a alimenta. Mas precisamos saber exatamente o que esses eletrodos estão fazendo nas raízes antes de plantá-los em todos os lugares.
A ciência é sólida. A engenharia é confusa. O futuro é turvo.
Os limites da eletricidade verde
Veja uma configuração do PMFC em 2012. Parece um jardim. Especificamente, um jardim pantanoso. Reed mannagrass, arroz, cordgrass ou junco gigante crescem no solo. Fios coloridos saem da terra. Essa é a única pista de que a energia está sendo gerada.
Eles não produzem muita energia. Ainda não. Eles só funcionam na água.
Mas a ciência está se movendo. Os investigadores são movidos por um problema maior: o conflito entre alimentos e energia. Os biocombustíveis prejudicam o abastecimento global de alimentos. Os PMFCs oferecem uma saída. Eles não exigem drenagem dos arrozais. Os agricultores podem continuar a cultivar alimentos. As aldeias podem instalar estes sistemas em zonas húmidas. As áreas de solo pobre podem gerar energia sem roubar terras aráveis.
As estufas poderiam funcionar o ano todo. Campos abertos? Isso depende da temporada.
A energia local reduz a necessidade de enviar combustível. Menos remessas significa menos emissões de carbono. Parece uma vitória.
Existe um gargalo. Um grande problema. A própria planta.
A fotossíntese é ineficiente. Os cloroplastos absorvem apenas luz na faixa de 400-700 nanômetros. Isso representa 45% da radiação solar. O resto rebate. As plantas desperdiçam o resto.
As plantas C3 e C4 lidam com isso de maneira diferente. As plantas C3 formam primeiro moléculas de três carbonos. Eles representam 95% das espécies. Árvores, trigo, arroz. Sua eficiência teórica é de 4,6%. Na realidade, atingiram 70% disso. Cerca de 3,2 por cento.
Plantas C4? Milho. Cana-de-açúcar. Eles formam moléculas de quatro carbonos. Eles são melhores. Limite teórico: 6 por cento. Limite prático: cerca de 4,2 por cento.
Depois vem o solo. Apenas 20% da biomassa vegetal atinge a zona radicular. A rizosfera. A partir daí, apenas 30% se transformam em alimento para micróbios. Os micróbios fazem o seu trabalho. Eles cuspem elétrons.
Os PMFCs capturam 9% dessa energia microbiana como eletricidade.
Faça as contas.
Para plantas C3: 0,70 x 0,046 x 0,20 x 0,30 x 0,09.
Resultado: 0,017% de conversão solar em elétrica.
Para plantas C4: 0,70 x 0,060 x 0,20 x 0,30 x 0,09.
Resultado: 0,022 por cento.
Números minúsculos. Mas alguns investigadores consideram que estes modelos são demasiado pessimistas. Se o potencial for maior, os consumidores ganham.
Esperança de Hidrogênio
As células de combustível estão ganhando força. Eles dão aos carros mais autonomia do que as baterias. Eles se adaptam melhor a veículos grandes. O interesse aumentou no final de 2012.
As células de combustível de hidrogênio parecem verdes. Eles não são. Produzir hidrogênio consome grandes quantidades de eletricidade. O processo não é neutro em carbono. Isso anula o propósito.
PMFCs produzem gás hidrogênio naturalmente. Através do mesmo processo microbiano que gera eletricidade. Esta poderia ser a chave para a verdadeira produção de hidrogénio verde.
Do petróleo às relhas de arado
A mudança do petróleo para as plantas não envolve apenas combustível. É sobre o uso da terra. Trata-se de parar a competição entre alimentos e energia. As zonas húmidas tornam-se centrais eléctricas. Os arrozais tornam-se sistemas híbridos. O solo trabalha mais. A grade fica mais limpa.
A eficiência é baixa. A tecnologia é jovem. Mas a alternativa – escavar a terra em busca de petróleo – parece cada vez mais obsoleta. As raízes estão prontas.
A tecnologia não é perfeita. As células de combustível microbianas vegetais (PMFCs) estão presas em um cabo de guerra. O substrato precisa apoiar as raízes das plantas e, ao mesmo tempo, facilitar a transferência de elétrons. Esses dois objetivos muitas vezes brigam entre si. Tome os níveis de pH. Se a acidez for diferente entre as duas câmaras celulares, os íons atravessam a membrana para equilibrar as coisas. Isso provoca um curto-circuito na tensão. O potencial elétrico cai. Os engenheiros têm que resolver isso.
Corrija as torções e o potencial será impressionante. Tudo depende da densidade de energia. Um estudo de 2008 estimou a produção em 21 gigajoules por hectare anualmente. São 5.800 quilowatts-hora por 2,5 acres. Dados mais recentes sugerem que esse número pode disparar para 1.000 gigajoules por hectare.
Para colocar isso em perspectiva, considere a linha de base:
– Um único barril de petróleo contém cerca de 6 gigajoules de energia química.
– A Europa tem 13,7 milhões de agricultores. O tamanho médio da fazenda é de 12 hectares.
– Os EUA têm 2 milhões de agricultores. O tamanho médio da fazenda é de 180 hectares.
Execute os números. Se apenas 1% das terras agrícolas dos EUA e da Europa mudassem para a tecnologia de células de combustível microbianas para plantas, o rendimento seria enorme. A Europa poderia gerar 34,5 milhões de gigajoules anualmente. Os EUA podem atingir 75,6 milhões de gigajoules.
Compare isso com o consumo. Em 2010, os 27 países da UE queimaram 1.759 milhões de toneladas de equivalente de petróleo (TEP). Isso equivale a 74,2 bilhões de gigajoules. Ou 20,5 trilhões de quilowatts-hora. TOE é a métrica padrão para comparar fontes de energia. Uma tonelada de equivalente de petróleo.
Neste modelo simplificado, os PMFCs são uma gota no oceano. Uma queda enorme, mas ainda uma queda em relação à demanda total. No entanto, é uma queda livre de poluição. Vem de campos verdes, não de chaminés ou turbinas eólicas que matam pássaros.
Este é apenas o começo. Os pesquisadores estão projetando bactérias que comem resíduos mais rapidamente. Entre 2008 e 2012, ajustes na química do substrato dobraram a produção elétrica em alguns testes. A PlantPower, um interveniente-chave neste campo, afirma que PMFCs aperfeiçoados poderiam fornecer 20% da energia primária da Europa. É energia extraída diretamente de fontes naturais e não transformadas.
O custo ainda é a barreira. Eles precisam ser mais baratos e mais eficientes antes da adoção generalizada. O progresso está acontecendo. Os fabricantes estão trocando metais preciosos por eletrodos condutores de tecido de carbono. Isso economiza dinheiro. Em 2012, executar uma configuração de um metro cúbico em um laboratório custava US$ 70.
Pense nos benefícios colaterais. Remoção de poluentes. Redução de gases de efeito estufa. Se os investidores e os governos perceberem o valor, os PMFCs poderão tornar-se as centrais eléctricas do futuro. Ou podem simplesmente plantar a semente para algo ainda melhor.
