Investigadora de Yale descubre que las almejas gigantes del Pacífico occidental pueden ser el sistema de energía solar más eficiente del planeta

Actualizado: 22/08/2024

En un estudio reciente, la investigadora de Yale, Alison Sweeney, descubrió que las almejas gigantes en el Pacífico Occidental podrían ser el sistema de energía solar más eficiente del planeta. Este hallazgo sugiere que los diseñadores de paneles solares y biorrefinerías podrían aprender mucho de estas almejas iridiscentes que viven cerca de los arrecifes de coral tropicales, según un estudio liderado por Yale.

Geometría y eficiencia solar de las almejas gigantes

Las almejas gigantes poseen geometrías precisas, consistentes en columnas verticales dinámicas de receptores fotosintéticos cubiertos por una capa delgada que dispersa la luz. Este sistema podría hacer que las almejas sean más eficientes en la conversión de energía solar que cualquier tecnología de paneles solares existente.

«Es contraintuitivo para muchas personas, porque las almejas operan bajo una luz solar intensa, pero en realidad son muy oscuras por dentro«, explicó Alison Sweeney, profesora asociada de física y biología evolutiva y ecológica en la Facultad de Artes y Ciencias de Yale. «La verdad es que las almejas son más eficientes en la conversión de energía solar que cualquier tecnología de paneles solares existente«.

Un modelo de eficiencia cuántica basado en las almejas

En el nuevo estudio, publicado en la revista PRX: Energy, un equipo de investigación liderado por Sweeney presenta un modelo analítico para determinar la eficiencia máxima de los sistemas fotosintéticos basados en la geometría, el movimiento y las características de dispersión de luz de las almejas gigantes. Este es el último de una serie de estudios del laboratorio de Sweeney que destacan mecanismos biológicos del mundo natural que podrían inspirar nuevos materiales y diseños sostenibles.

Las almejas gigantes que viven en las aguas poco profundas de Palau, en el Pacífico Occidental, son fotosimbióticas, lo que significa que albergan algas unicelulares en su superficie. Estas algas absorben la luz solar después de que la luz ha sido dispersada por una capa de células llamadas iridocitos.

Comparación con otros sistemas fotosintéticos

La disposición de las algas en columnas verticales, que están alineadas paralelamente a la luz entrante, permite que las algas absorban la luz solar de manera más eficiente. La luz solar, filtrada y dispersada por la capa de iridocitos, envuelve uniformemente cada cilindro vertical de algas.

Basándose en la geometría de las almejas gigantes, Sweeney y sus colegas desarrollaron un modelo para calcular la eficiencia cuántica, es decir, la capacidad para convertir fotones en electrones. Los investigadores también tomaron en cuenta las fluctuaciones en la luz solar durante un día típico en los trópicos, con amanecer, mediodía y puesta del sol. La eficiencia cuántica resultante fue del 42%.

Sin embargo, cuando los investigadores consideraron cómo las almejas se estiran en reacción a los cambios en la luz solar, la eficiencia cuántica del modelo aumentó al 67%. En comparación, la eficiencia cuántica de un sistema de hojas verdes en un entorno tropical es solo del 14%.

En el video:

1. Curiosidad sobre las células iridiscentes de las almejas gigantes: El investigador se cuestiona por qué las almejas gigantes tienen células iridiscentes, ya que no parecen servir para camuflaje, comunicación o apareamiento.
2. Función de las células iridiscentes: Aunque las células iridiscentes parecen producir un brillo superficial, en realidad, la mayor parte de la energía lumínica se dirige hacia el interior del tejido de la almeja, donde es utilizada eficientemente.
3. Sistema óptimo de las almejas para la fotosíntesis: Las almejas gigantes tienen un sistema óptimo que proporciona la cantidad perfecta de luz a las algas en sus columnas, adaptándose a la intensidad de la luz solar durante el día.
4. Eficiencia cuántica: Las almejas tienen una eficiencia cuántica mínima del 67%, lo que significa que convierten un alto porcentaje de la energía solar recibida en energía química.
5. Comparación con paneles solares: Los paneles solares comerciales actuales tienen una eficiencia de alrededor del 20%, significativamente menor que la de las almejas.
6. Interés en bio-refinerías: El gobierno de EE.UU. está interesado en financiar bio-refinerías que trabajen con moléculas de carbono de algas vivas modernas, en lugar de fuentes fósiles.
7. Desafíos en la eficiencia del espacio para la fotosíntesis: Uno de los principales problemas de las bio-refinerías es cómo hacer que la fotosíntesis sea eficiente en términos de espacio, un problema que las almejas han resuelto de manera óptima.
8. Aplicación de los principios de las almejas en bio-refinerías: Ahora que se entienden las reglas físicas detrás del sistema de las almejas, el objetivo es diseñar materiales similares a las almejas para optimizar la luz en las materias primas de las bio-refinerías.

Lecciones de la biodiversidad

Un aspecto interesante del estudio es la comparación con los bosques de abetos boreales en el norte, que comparten geometrías y mecanismos de dispersión de luz similares con las almejas gigantes, pero a una escala mucho mayor. Estos bosques tienen una eficiencia cuántica casi idéntica a la de las almejas.

«Una lección de esto es lo importante que es considerar la biodiversidad en su conjunto«, señaló Sweeney. «Mis colegas y yo seguimos reflexionando sobre dónde más en la Tierra podría ocurrir este nivel de eficiencia solar. También es crucial reconocer que solo podemos estudiar la biodiversidad en lugares donde se mantiene«.

Sweeney añadió: «Debemos una gran deuda a los palauanos, quienes otorgan un valor cultural vital a sus almejas y arrecifes y trabajan para mantenerlos en un estado de salud prístino«.

Estos ejemplos podrían ofrecer inspiración e ideas para desarrollar tecnologías de energía sostenible más eficientes. «Podría imaginarse una nueva generación de paneles solares que cultiven algas, o paneles solares de plástico económicos hechos de un material elástico«, sugirió Sweeney.

El primer autor del estudio es Amanda Holt, científica asociada en el laboratorio de Sweeney. El coautor del estudio es Lincoln Rehm, palauano-americano y exestudiante de posgrado en la Universidad de Drexel y actual investigador en el Centro Internacional de Arrecifes de Coral de Palau, quien ahora trabaja en la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA).

La investigación fue financiada por una beca de la Fundación Packard y la Fundación Nacional de Ciencias.

Relevancia para la sostenibilidad y energías renovables

Este estudio pone de manifiesto la importancia de la biomímesis, un enfoque que busca soluciones sostenibles inspirándose en la naturaleza. La capacidad de las almejas gigantes para optimizar la conversión de energía solar mediante su diseño natural podría ser clave para desarrollar tecnologías renovables más eficientes y adaptadas a diferentes entornos. Este enfoque no solo tiene el potencial de mejorar la eficiencia energética, sino también de contribuir a la conservación de la biodiversidad, al buscar inspirarse en sistemas naturales que ya han demostrado ser altamente eficaces y sostenibles a lo largo de millones de años de evolución.

Vía yale.edu