Científicos británicos desarrollan bioceldas de algas para sustituir millones de pequeñas baterías desechables.
- 🌿 Cianobacterias fotosintéticas vivas como fuente de electricidad.
- 🔋 Alternativa a millones de pilas pequeñas y desechables.
- 🌙 Producción eléctrica continua, incluso durante la noche.
- ♻️ Materiales abundantes, económicos y reciclables.
- 📡 Sensores ambientales y dispositivos de bajo consumo entre las primeras aplicaciones.
- 🌍 Potencial para zonas rurales, remotas y sin acceso estable a la red eléctrica.
- 🚀 Más de 20 veces de aumento de potencia desde el inicio del proyecto.
Una pequeña caja verde que lleva años produciendo electricidad
Sobre una mesa de laboratorio, un reloj digital marca las 2:42. Bajo la pantalla hay una pequeña caja verde que parece más propia de un experimento escolar que de una investigación energética con dos décadas de trabajo a sus espaldas.
Dentro viven cianobacterias fotosintéticas, microorganismos capaces de aprovechar la luz solar y el dióxido de carbono para crecer. Durante ese proceso se produce un flujo continuo de electrones. Los investigadores de la Universidad de Cambridge han conseguido capturar una pequeña parte de esa corriente y utilizarla para alimentar dispositivos electrónicos.
La idea es sencilla de explicar y bastante más compleja de llevar a la práctica: convertir organismos vivos en pequeñas fuentes de electricidad capaces de funcionar durante largos periodos sin necesidad de sustituir baterías.
El equipo, dirigido científicamente por Paolo Bombelli y con Chris Howe como investigador principal, trabaja en esta tecnología desde 2006. Durante ese tiempo, la potencia obtenida por sus sistemas biofotovoltaicos ha aumentado más de 20 veces.
Todavía se trata de cantidades modestas de electricidad. Ahí está la clave. La tecnología no pretende alimentar viviendas, vehículos eléctricos o electrodomésticos. Su terreno natural son los millones de pequeños dispositivos que consumen muy poca energía y dependen actualmente de pilas que terminan convertidas en residuos.
Cómo puede un microorganismo vivo generar electricidad
Las cianobacterias se encuentran entre los organismos más antiguos del planeta. Realizan la fotosíntesis utilizando la energía solar para transformar agua y dióxido de carbono en compuestos necesarios para su crecimiento.
Durante estas reacciones bioquímicas se produce un movimiento constante de electrones.
Las células desarrolladas en Cambridge incorporan materiales conductores capaces de recoger una fracción de esos electrones y conducirlos hacia un circuito eléctrico externo.
Una de las características más interesantes es que la producción eléctrica puede continuar cuando desaparece la luz.
Durante las horas iluminadas, los microorganismos producen y almacenan compuestos energéticos mediante la fotosíntesis. Parte de esos recursos continúa siendo metabolizada posteriormente. Como consecuencia, el sistema puede mantener una pequeña corriente eléctrica durante la noche.
No hay combustión. Tampoco es necesario matar ni consumir los microorganismos para obtener electricidad.
La colonia continúa creciendo y realizando sus funciones biológicas mientras proporciona energía al circuito.
Eso cambia bastante las reglas del juego.
El verdadero objetivo: eliminar millones de pilas de usar y tirar
La principal ventaja ambiental de estas biocélulas aparece cuando se analiza la enorme cantidad de dispositivos electrónicos que necesitan cantidades diminutas de electricidad.
Mandos a distancia, detectores de humo, estaciones meteorológicas, sensores agrícolas, dispositivos de seguimiento, sistemas de control industrial o equipos conectados al Internet de las Cosas utilizan pequeñas baterías que deben sustituirse periódicamente.
Cada pila parece insignificante. Multiplicada por millones de dispositivos, la situación cambia.
La fabricación de baterías requiere materias primas, energía, procesos industriales, transporte y sistemas de gestión de residuos. Algunos modelos utilizan litio, níquel, manganeso, zinc, cobalto u otros materiales cuya extracción y procesamiento generan impactos ambientales.
Las células biofotovoltaicas desarrolladas en Cambridge están fabricadas principalmente con materiales comunes, económicos y potencialmente reciclables.
Además, el organismo que genera la electricidad puede reproducirse utilizando recursos disponibles en el entorno.
La posibilidad de instalar un dispositivo y mantenerlo funcionando durante meses o años con un mantenimiento mínimo resulta especialmente atractiva para la electrónica de muy bajo consumo.
La revolución silenciosa de los dispositivos que consumen microwatios
Durante años, buena parte de la innovación energética se ha centrado en producir más electricidad. Sin embargo, otro cambio tecnológico está avanzando en la dirección contraria: fabricar dispositivos capaces de funcionar con cantidades cada vez menores de energía.
Sensores ambientales, microcontroladores, sistemas de comunicación inalámbrica y componentes electrónicos modernos pueden operar actualmente con consumos extremadamente reducidos.
Esto abre un espacio interesante para tecnologías como las biocélulas.
Un sistema que hace unos años resultaba demasiado débil para alimentar un dispositivo puede convertirse en una solución práctica cuando la electrónica necesita apenas unos microwatios para medir una variable, almacenar información y transmitir datos ocasionalmente.
La investigación realizada anteriormente por el mismo equipo de Cambridge ya demostró esta posibilidad utilizando un sistema basado en cianobacterias para alimentar durante meses un microprocesador Arm Cortex M0+.
El dispositivo tenía aproximadamente el tamaño de una pila AA y funcionó en condiciones domésticas, aprovechando la luz ambiental y manteniendo actividad durante la noche.
Ese tipo de experimentos ayuda a entender hacia dónde puede avanzar la tecnología.
No hacia grandes centrales eléctricas. Hacia millones de pequeños puntos autónomos de generación distribuida.
Sensores ambientales que podrían funcionar durante años
Una de las aplicaciones más prometedoras se encuentra en la vigilancia ambiental.
Medir la calidad del agua de un río, controlar la humedad del suelo, detectar cambios en ecosistemas forestales o registrar variables climáticas requiere instalar sensores en lugares donde sustituir una batería puede resultar caro y complicado.
En algunos casos hay que recorrer kilómetros, utilizar embarcaciones o acceder a zonas protegidas únicamente para realizar tareas de mantenimiento.
Una biocélula capaz de proporcionar energía durante largos periodos reduciría estas intervenciones.
Podrían desarrollarse estaciones autónomas para controlar la contaminación de lagos y ríos, sensores agrícolas distribuidos por grandes superficies o sistemas de detección temprana de incendios forestales.
La combinación con tecnologías de comunicación de bajo consumo, como LoRaWAN, Bluetooth Low Energy o redes de sensores específicas, amplía las posibilidades.
El dispositivo permanece dormido durante buena parte del tiempo, acumula energía, realiza una medición y transmite la información.
Poco consumo. Poca infraestructura. Mucha información útil.
Agricultura de precisión con menos baterías dispersas por el campo
La digitalización agrícola está multiplicando el número de sensores instalados en explotaciones agrícolas.
Humedad del suelo, temperatura, radiación solar, conductividad eléctrica, concentración de nutrientes o disponibilidad de agua pueden medirse de forma continua.
El problema aparece cuando miles de pequeños dispositivos necesitan baterías.
Una explotación extensa puede requerir revisiones periódicas, sustituciones y desplazamientos únicamente para mantener operativa la red de sensores.
Las biocélulas podrían actuar como fuentes locales de electricidad para determinados equipos de muy bajo consumo.
Además, las cianobacterias necesitan luz, agua y dióxido de carbono, recursos disponibles en numerosos entornos agrícolas.
Todavía será necesario desarrollar sistemas resistentes, encapsulados adecuados y mecanismos que permitan mantener las condiciones biológicas durante largos periodos. Pero la posibilidad de reducir el mantenimiento energético de grandes redes de sensores merece atención.
Electricidad para lugares donde cambiar una pila resulta complicado
Las aplicaciones fuera de la red eléctrica también forman parte de los objetivos del proyecto.
En numerosas regiones rurales del planeta existe cobertura de telefonía móvil, aunque el acceso fiable a la electricidad continúa siendo limitado.
Pequeñas fuentes de energía biológica podrían alimentar sensores, sistemas de señalización, dispositivos médicos sencillos o equipos de comunicación de consumo reducido.
La carga completa de un teléfono móvil continúa estando lejos de las capacidades actuales de estas células. La diferencia de potencia es importante.
Sin embargo, el desarrollo de sistemas más grandes, la conexión de varias unidades y la mejora de la eficiencia podrían ampliar las aplicaciones futuras.
También existe otra posibilidad interesante: utilizar estas tecnologías junto con pequeños paneles solares o sistemas de almacenamiento.
La biocélula proporcionaría una corriente continua de baja intensidad, mientras otras fuentes cubrirían los momentos de mayor demanda.
De un experimento universitario a una tecnología comercial
Convertir una investigación científica en un producto comercial suele ser una de las etapas más difíciles del desarrollo tecnológico.
Un dispositivo de laboratorio puede funcionar perfectamente bajo condiciones controladas y fracasar cuando debe operar durante años en un entorno real.
La Universidad de Cambridge ha impulsado el proyecto mediante financiación del BBSRC Impact Acceleration Account, un programa orientado a trasladar resultados científicos hacia aplicaciones prácticas.
El equipo incorporó a la biodiseñadora Lucia Giron y al ingeniero eléctrico Lifu Tan para avanzar en la transformación de los prototipos.
De esta colaboración han surgido diferentes demostradores: un reloj alimentado mediante cianobacterias, sensores de temperatura y sistemas capaces de controlar el estado de plantas.
La comercialización se está explorando a través de la empresa emergente e-Pho, creada para identificar aplicaciones concretas donde las biocélulas puedan competir con las baterías convencionales.
Este enfoque resulta importante.
La tecnología no necesita resolver todos los problemas energéticos para tener utilidad. Basta con encontrar nichos donde sus ventajas ambientales, su duración y el bajo mantenimiento compensen su limitada potencia.
El gran desafío sigue siendo aumentar la densidad de potencia
Las células biofotovoltaicas tienen una limitación evidente: producen poca electricidad por unidad de superficie.
La cantidad de electrones que puede extraerse sin perjudicar el metabolismo de los microorganismos es reducida.
Aumentar demasiado la corriente podría afectar al crecimiento y la estabilidad del sistema biológico.
Los investigadores trabajan en mejorar los materiales de los electrodos, aumentar el contacto entre microorganismos y superficies conductoras, optimizar la transferencia electrónica y diseñar arquitecturas capaces de aprovechar mejor la energía disponible.
La fabricación también deberá simplificarse.
Para competir con una pila convencional, una biocélula tendrá que ser barata, fiable, segura y fácil de producir a gran escala.
Y hay otro desafío: la estabilidad.
Los organismos vivos responden a cambios de temperatura, disponibilidad de agua, nutrientes y condiciones ambientales. Mantener una producción eléctrica predecible durante años requiere comprender y controlar estos factores.
Un laboratorio que también quiere cambiar la forma de enseñar energía
El proyecto de Cambridge tiene otra vertiente menos tecnológica, aunque igualmente relevante.
El equipo ha desarrollado kits educativos que permiten a estudiantes cultivar cianobacterias, construir pequeñas células biofotovoltaicas y realizar experimentos eléctricos.
Los talleres combinan biología, electrónica, química y ciencias ambientales.
Esta forma de enseñanza muestra algo que a menudo queda fuera de los programas escolares: las plantas y los microorganismos pueden desempeñar un papel tecnológico directo en la transición hacia sistemas más sostenibles.
Los estudiantes no observan únicamente una reacción en un libro.
Construyen un dispositivo. Miden electricidad. Modifican materiales. Comparan resultados.
La bioenergía deja de ser una idea abstracta.
Además, el crecimiento de áreas como la bioelectrónica, la biología sintética y los materiales vivos requerirá profesionales capaces de trabajar entre disciplinas tradicionalmente separadas.
Formar a esos futuros investigadores también forma parte de la transición energética.
Potencial
Las biocélulas basadas en cianobacterias no van a sustituir las grandes baterías utilizadas en vehículos eléctricos ni los sistemas de almacenamiento necesarios para integrar energías renovables.
Su oportunidad aparece en otro lugar.
La electrónica de bajo consumo está creciendo rápidamente, y alimentar millones de pequeños dispositivos de manera sostenible será un problema cada vez más importante.
Sensores agrícolas que funcionen durante años, estaciones de vigilancia ambiental sin mantenimiento frecuente, dispositivos distribuidos por ciudades inteligentes o sistemas autónomos instalados en lugares remotos podrían beneficiarse de fuentes de energía biológica.
La combinación con supercondensadores, sistemas de recolección de energía ambiental y componentes electrónicos ultraficientes puede ampliar todavía más sus posibilidades.
También será fundamental diseñar dispositivos reparables y reciclables.
Sustituir una pila desechable por una biocélula encerrada en una carcasa difícil de reciclar apenas trasladaría el problema.
El verdadero avance llegará cuando biología, electrónica de bajo consumo y diseño circular formen parte del mismo producto.
Después de veinte años de investigación, el reloj alimentado por algas continúa funcionando sobre la mesa del laboratorio.
Consume muy poca electricidad. No pretende resolver por sí solo la crisis energética.
Pero señala una dirección interesante: para reducir el impacto ambiental de la tecnología quizá no siempre sea necesario construir baterías más grandes. A veces puede resultar más inteligente fabricar dispositivos que necesiten mucha menos energía y dejar que organismos vivos produzcan, lentamente, la electricidad necesaria.
Más información: Cambridge University
Deja una respuesta