Singapur – La diversidad de las humildes algas que cubren la superficie de estanques y mares podría ser la clave para impulsar la eficiencia de la fotosíntesis artificial, permitiendo a los científicos producir más energía y menos desechos en el proceso.
Un estudio de la Nanyang Technological University (NTU) mostró que la inclusión de proteínas de algas en gotitas líquidas puede mejorar dramáticamente la propiedades de captación de luz y la conversión de energía de las alas hasta tres veces.
La energía se produce cuando las algas se someten a la fotosíntesis, que es el proceso usado por las plantas, algas y ciertas bacterias para aprovechar la energía de la luz solar y convertirla en energía química.
Al imitar cómo las plantas convierten la luz solar en energía, la fotosíntesis artificial puede ser una forma sostenible de generar electricidad que no dependa de combustibles fósiles o gas natural, que no son renovables.
Debido a que la tasa de conversión de energía natural de la luz solar a la electricidad es baja, aumentar la electricidad producida en general podría hacer que la fotosíntesis artificial sea comercialmente viable.
El estudio, liderado por el profesor asistente Chen Yu-Cheng de la School of Electrical and Electronic Engineering de NTU, analizó un tipo particular de proteína que se encuentra en las algas rojas. Estas proteínas, llamadas ficobiliproteínas, son responsables de absorber la luz dentro de las células de las algas para iniciar la fotosíntesis.
Las ficobiliproteínas recolectan energía lumínica de todo el rango espectral de longitudes de onda de luz, incluidas aquellas en la cuales las clorofilas absorben mal, y las convierten en electricidad.
Chen dijo: “Debido a sus propiedades fotosintéticas y emisoras de luz, las ficobiliproteínas tienen aplicaciones potencialmente prometedoras en la biotecnología y en los dispositivos de estado sólido. Aumentar la energía del aparato de captación de luz ha estado en el centro de los esfuerzos de desarrollo de dispositivos orgánicos que utilizan la luz como fuente de energía”.
La investigación puede conducir hacia una nueva y sostenible forma de generar electricidad a partir de la luz solar que no dependa de los combustibles fósiles o gas natural, que no son renovables.
La nueva tecnología bioinspirada basada en las ficobiliproteínas podría usarse para elaborar celdas solares más eficientes y allana el camino a una mayor eficiencia dentro de la fotosíntesis artificial.
El uso de algas como una fuente de energía biológica es un tema de interés popular en la sostenibilidad y la energía renovable, debido a que el uso de algas potencialmente reduce la cantidad de subproductos tóxicos generados en la fabricación de paneles solares.
El estudio respalda el compromiso de NTU con la sostenibilidad como parte de su plan estratégico 2025, que busca comprender, articular y abordar el impacto de la humanidad en el medio ambiente.
Triplicar la eficiencia de la fotosíntesis artificial
Las microalgas absorben la luz solar y la convierten en energía. Para amplificar la cantidad de energía que las algas pueden generar, el equipo de investigación desarrolló un método para encerrar las algas rojas dentro de micro-gotas de cristal líquido que tienen un tamaño de 20 a 40 micrones y las expuso a la luz.
Cuando la luz incide en la gota, se produce un efecto conocido como “modo de galería susurrante”, en el que las ondas de luz viajan alrededor de los bordes curvos de la gota. La luz queda efectivamente atrapada dentro de la gota durante un período de tiempo más largo, lo que brinda más oportunidades para que se lleve a cabo la fotosíntesis y, por lo tanto, genera más energía.
La energía generada durante la fotosíntesis es la forma de electrones libres se puede capturar a través de electrodos como corriente eléctrica.
“La gota se comporta como un resonador que confina mucha luz”, destacó Chen.
“Esto le da a las algas más exposición a la luz, aumentando la tasa de fotosíntesis. También se puede obtener un resultado similar al recubrir el exterior de la gota con la proteína de las algas”.
“Al explotar las microgotas como portador de biomateriales recolectores de luz, mejora el campo eléctrico local y el confinamiento de fotones dentro de la gota dio como resultado la generación de electricidad significativamente mayor”, indicó.
Las gotas pueden ser producidas fácilmente a granel a bajo costo, lo que hace que el método del equipo de investigación sea ampliamente aplicable.
Según Chen, la mayoría de las celdas solares basadas en las algas producen una potencia eléctrica de 20-30 microvatios por centímetro cuadrado (µW/cm2). La combinación de algas y gotas aumentó este nivel de generación de energía al menos dos o tres veces, comparado a la tasa de generación de energía de la proteína de algas sola.
Conversión de la “bio-basura” en bioenergía
La fotosíntesis artificial tiene como objetivo replicar el proceso biológico natural mediante el cual las plantas convierten la luz solar en energía química. El objetivo es establecer una forma de hacer que la energía sea renovable, confiable y almacenable sin afectar el medio ambiente de manera negativa.
Uno de los desafíos de la fotosíntesis artificial es generar energía con la misma eficiencia que otras fuentes de energía solar, como los paneles solares. En promedio, los paneles solares tienen un índice de eficiencia del 15 al 20 por ciento, comparado con el 4.5 por ciento de la eficiencia de la fotosíntesis artificial en la actualidad.
Chen manifestó: “La fotosíntesis artificial no es tan eficiente como las células solares para generar electricidad. Sin embargo, es más renovable y sostenible. Debido al creciente interés en las tecnologías renovables y respetuosas con el medio ambiente, la extracción de energía de las proteínas que recogen la luz en las algas ha atraído interés en el campo de la bioenergía”.
El investigador prevé un caso de uso potencial de “granjas de algas”, donde las algas crecen densamente en cuerpos de agua que eventualmente podrían combinarse con gotas de cristal líquido más grandes para crear generadores de energía flotantes.
“Las microgotas utilizadas en nuestros experimentos tienen el potencial de escalar a gotas más grandes que luego se pueden aplicar a las algas, fuera del entorno de laboratorio para crear energía. Si bien algunos pueden considerar que el crecimiento de las algas es desagradable, juegan un papel muy importante en el medio ambiente. Nuestros hallazgos muestran que hay una manera de convertir lo que algunos podrían ver como ‘biobasura’ en ‘bioenergía’”, finalizó Chen.
Referencia (acceso abierto):
Zhiyi Yuan, Xin Cheng, Tsungyu Li, Yunke Zhou, Yifan Zhang, Xuerui Gong, Guo-En Chang, Muhammad D. Birowosuto, Cuong Dang, and Yu-Cheng Chen. “Light-Harvesting in Biophotonic Optofluidic Microcavities via Whispering-Gallery Modes”, published in ACS Applied Materials Interfaces, 26 July 2021. DOI: 10.1021/acsami.1c09845
