Las pilas de azúcar y las hojas falsas iluminarán tu mundo

Podríamos combinar tecnología y biología para producir energía limpia y renovable, y mucha de ella

Crédito de la imagen: Kristian Peters // CC-BY-SA 3.0

Estoy seguro de que no estoy solo por haberme sentido algo escéptico acerca de alcanzar una utopía energética. Mientras el mundo se esfuerza por extraer hasta la última gota de aceite y olor a gas natural, las soluciones realistas parecen pocas y distantes.

Pero mi punto de vista cambió el año pasado cuando, en una carpa ligeramente cargada en el Festival de Ciencias de Cheltenham, una biofísica rizada de Cambridge subió al escenario. Como Chris Forman habló sobre mirar a la naturaleza para inspirar la tecnología, me hizo pensar en la energía de una manera radicalmente diferente.

Si pudiéramos aprovechar, almacenar y usar la energía de la manera más económica que lo hacen los sistemas naturales, existe el potencial de resolver muchos de nuestros problemas de generación de energía en un abrir y cerrar de ojos. Forman cree que al copiar y mejorar los sistemas naturales, podríamos hacer exactamente eso. Si bien esto puede sonar exagerado, gran parte de la investigación necesaria para hacer realidad la utopía energética de Forman ya está en marcha.

Empecemos desde el principio. Si bien el aprovechamiento de la energía puede ser el eslabón más débil de nuestra cadena, la naturaleza ha desarrollado un sistema extremadamente eficiente para generarlo: la fotosíntesis.

Tal vez recuerdes cómo funciona la escuela: cuando la luz del sol incide sobre las hojas de una planta, los electrones se transfieren del agua a moléculas especiales "portadoras", antes de usarse para producir azúcares para su almacenamiento en las células de la planta. "La naturaleza es extremadamente buena para convertir la energía de la luz en combustible", dijo el Dr. Lars Jeuken, biólogo sintético de la Universidad de Leeds. Las plantas minimizan la pérdida de energía moviendo electrones muy rápidamente, aunque usan la mayoría de la energía que capturan solo para mantenerse con vida: solo del 1 al 8 por ciento termina como tejido vegetal.

Las hojas aprovechan la energía solar para producir azúcares mediante la fotosíntesis. Crédito de la imagen: Josch13 // CC0

Sin embargo, casi toda nuestra energía proviene de la fotosíntesis, aunque de manera indirecta. Los combustibles fósiles se forman a partir de los restos triturados de las plantas antiguas y los animales que se los comieron. Lo cual, cuando lo piensas, es una forma bastante intrincada de aprovechar la energía solar. Peor aún, desperdiciamos más del 70 por ciento de la energía creada a partir de ellos en la planta de energía.

La tecnología humana ya supera las capacidades de aprovechamiento del sol de las plantas: los mejores paneles solares disponibles comercialmente capturan el 15 por ciento de la energía de la luz que los golpea, y algunos diseños experimentales alcanzan hasta el 40 por ciento . Pero los biólogos sintéticos creen que pueden hacerlo mejor: mediante la ingeniería de la naturaleza, con la esperanza de superarlo en su propio juego.

El Dr. Erwin Reisner supervisa a un equipo de investigadores de la Universidad de Cambridge que trabajan en sistemas fotosintéticos artificiales para producir combustible de hidrógeno . "Uno de los objetivos de mi laboratorio es el desarrollo de la síntesis eficiente de combustible solar mediante la combinación de enfoques biológicos y sintéticos", dijo Reisner. Su equipo usa un tinte sintético para capturar la energía de la luz, que luego se convierte en combustible de hidrógeno mediante catalizadores biológicos llamados enzimas. Juntos, las enzimas y los colorantes sintéticos se integran en un material fotoactivo nanoestructurado: una especie de hoja artificial. Si bien los sistemas híbridos como este podrían algún día superar los paneles solares, Reisner enfatiza que este es un proyecto a largo plazo. "Espero que esta investigación mejore la comprensión básica de la fotosíntesis artificial, para permitir la implementación a gran escala de las tecnologías de combustible solar en las próximas décadas", dijo.

Una representación de artistas de la investigación biohíbrida de Jeuken, emparejando nanopartículas con proteínas y oro para emular la fotosíntesis. Crédito de la imagen: Lars Jeuken

Jeuken es parte de un proyecto colaborativo, con Reisner e investigadores de la Universidad de East Anglia en Inglaterra, para mejorar la eficiencia de la transferencia de electrones en los sistemas fotosintéticos artificiales . "Los últimos sistemas híbridos están muy lejos de donde queremos que estén", dijo, ya que convierten solo el 2 por ciento de la energía lumínica en combustible. La clave para mejorar la eficiencia, para igualar o incluso superar la fotosíntesis natural, será acelerar las reacciones, me dijo: cuanto más rápido muevamos los electrones, menos energía se desperdiciará.

Pero las hojas artificiales solo generan energía cuando brilla el sol. Nuevas formas innovadoras de almacenar energía serán esenciales ya que dependemos del suministro intermitente de fuentes renovables. Nuevamente, nuestra mejor opción puede ser tratar de imitar la naturaleza y, en última instancia, mejorarla.

El profesor Percival Zhang de Virginia Tech ha desarrollado una batería que imita el almacenamiento de energía en las células vivas. La naturaleza almacena energía en forma de azúcares: estas moléculas de carbohidratos son estables, se reciclan fácilmente y su producción está controlada cuidadosamente por enzimas, lo que las convierte en moléculas de almacenamiento altamente eficientes. Las enzimas controlan cada reacción química dentro de la célula, y son el sueño de un biólogo sintético: extremadamente flexible y fácilmente reprogramable.

Las biobaterías basadas en azúcar de Zhang usan 13 enzimas sintéticas para producir electricidad a partir de la maltodextrina azucarada. Las enzimas sintéticas permiten una liberación de energía extremadamente eficiente, y las biobaterías tienen una serie de otros beneficios también, el azúcar es una fuente de energía barata y renovable; también es biodegradable y totalmente seguro.

El profesor Percival Zhang y el Dr. Zhiguang Zhu (Virginia Tech) muestran su biobatería basada en azúcar. Crédito de la imagen: Virginia Tech College of Agriculture and Life Sciences

Pero todavía hay trabajo por hacer. El azúcar puede almacenar más energía que las baterías tradicionales, pero la tecnología actualmente tiene una baja producción de potencia por pulgada cuadrada, lo que significa que las baterías de azúcar necesitarían ser enormes para alimentar a nuestra tecnología hambrienta de energía. "Creemos que podemos aumentar su densidad de potencia diez veces en los próximos años", dijo Zhang. Al afinar la tecnología con "mejores nanomateriales, mejores enzimas y mejor diseño de pila de combustible", esperan desarrollar baterías que superen a los sistemas naturales de almacenamiento de energía desarrollados a lo largo de millones de años.

Otro desafío es que las enzimas se degradan lentamente, dando a la biobatería una corta vida útil. En la actualidad, puede funcionar solo por unas pocas semanas, pero Zhang espera extender eso a meses, incluso años, diseñando enzimas más estables. Su objetivo es tener las primeras baterías de azúcar en el mercado dentro de tres años y ya está construyendo prototipos de bancos de energía para cargar teléfonos celulares.

Texto original en inglés.