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¿Cómo funcionan las pilas de combustible microbianas vegetales?

¿Cómo funcionan las pilas de combustible microbianas vegetales?
Contenido
  1. no hay lugar como el barro
  2. PMFC: ¿todo mojado o excepcional en su campo?
  3. del aceite a los arados

no hay lugar como el barro

Resulta que el suelo está lleno de potencial (eléctrico) sin explotar.

A medida que las plantas verdes se encargan de la fotosíntesis, convirtiendo la energía de la luz solar en energía química y luego almacenándola en azúcares como la glucosa, exudan desechos a través de sus raíces en una capa de suelo conocida como rizosfera. Allí, las bacterias se alimentan de las células secas de las plantas, así como de las proteínas y azúcares que liberan de sus raíces. [source: Ingham].

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En términos de PMFC, esto significa que mientras la planta viva, las bacterias tendrán cupones de alimentos y la celda de combustible generará energía. La primera ley de la termodinámica, que algunos traducen como “no hay comida gratis”, sigue siendo válida porque el sistema recibe energía de una fuente externa, a saber, el sol.

Pero, ¿cómo los microbios en la Tierra o debajo de ella producen electricidad simplemente consumiendo y metabolizando alimentos? Como ocurre con el amor o la cocina, todo depende de la química.

En general, los MFC funcionan separando dos mitades de un proceso electrobioquímico (metabolismo) y conectándolos en un circuito eléctrico. Para entender cómo, echemos un vistazo detallado al metabolismo celular.

En el texto de ejemplo a continuación, la glucosa y el oxígeno reaccionan para producir dióxido de carbono y agua. [sources: Bennetto; Rabaey and Verstraete].

VS6H12Oh6 + 6Odos → 6CO2 + 6HdosOh

Pero dentro de las células individuales, u organismos unicelulares como las bacterias, esta declaración general omite una serie de pasos intermedios. Algunos de estos pasos liberan temporalmente electrones que, como todos sabemos, son útiles para generar electricidad. Entonces, en lugar de que la glucosa y el oxígeno reaccionen para producir dióxido de carbono y agua, aquí la glucosa y el agua producen dióxido de carbono, protones (iones de hidrógeno cargados positivamente (H+)) y electrones (y) [sources: Bennetto; Rabaey and Verstraete].

VS6H12Oh6 + 6HdosO → 6COdos + 24H+ + 24

En un PMFC, esta mitad del proceso define la mitad de la celda de combustible. Esta porción se encuentra en la rizosfera con raíces de plantas, desechos y bacterias. La otra mitad de la celda está en agua rica en oxígeno, en el lado opuesto de una membrana permeable. En un entorno natural, esta membrana está formada por el límite suelo-agua. [sources: Bennetto; Rabaey and Verstraete; Deng, Chen and Zhao].

En la segunda mitad de la celda, los protones y electrones libres se combinan con el oxígeno para producir agua, así:

6Odos + 24H+ + 24 → 12:00dosOh

Los protones alcanzan esta segunda mitad a medida que atraviesan la membrana de intercambio iónico, creando una carga neta positiva y un potencial eléctrico que hace que los electrones fluyan a lo largo del cable conductor exterior. Aquí estás ! Energia electrica [sources: Bennetto; Rabaey and Verstraete; Deng, Chen and Zhao].

¿Cuántos?

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PMFC: ¿todo mojado o excepcional en su campo?

A partir de 2012, los PMFC no producen mucha energía y solo funcionan en ambientes acuáticos, con plantas como la caña de mangle (glicerías máximas), arroz, pasto de cordón (Anglica espartina) y caña gigante (Arundo Donax) [sources: Deng, Chen and Zhao; PlantPower]. Si te encuentras con un campo de PMFC, como el parche en el techo del Instituto Holandés de Ecología en Wageningen, nunca sabrás que es otra cosa que una colección de plantas, a excepción de las hebras de colores que sobresalen del suelo. [source: Williams].

Sin embargo, sus aplicaciones potenciales para resolver otros problemas de sostenibilidad global, incluida la presión que ejercen los biocombustibles sobre un sistema global de suministro de alimentos ya sobrecargado, continúan inspirando a los investigadores y al menos a una empresa exploratoria, el PlantPower Project, desde 5,23 millones de euros. [sources: Deng, Chen and Zhao; PlantPower; Tenenbaum].

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Dado que los PMFC ya están trabajando en plantas acuáticas, los agricultores y las aldeas no necesitan tirar sus cultivos de arroz a base de agua para implementarlos. A mayor escala, las comunidades podrían instalar PMFC en áreas húmedas o en suelos de mala calidad, evitando la competencia territorial entre la producción de energía y alimentos. [source: Strik et al.]. Las plantas manufacturadas, como los invernaderos, podrían generar energía durante todo el año, pero la producción de electricidad en tierras agrícolas dependería de la temporada de crecimiento. [source: PlantPower].

Producir más energía a nivel local podría reducir las emisiones de carbono al reducir la demanda de transporte de combustible, que en sí mismo es un importante contribuyente a los gases de efecto invernadero. Pero hay un problema, y ​​es muy importante: incluso si los CFMP se vuelven lo más eficientes posible, aún enfrentan un cuello de botella: la eficiencia fotosintética y la producción de desechos de la propia planta.

Las plantas son sorprendentemente ineficaces para convertir la energía solar en biomasa. Este umbral de conversión se debe en parte a factores cuánticos que afectan la fotosíntesis y en parte al hecho de que los cloroplastos solo absorben luz en el rango de 400-700 nanómetros, que es aproximadamente el 45% de la radiación solar incidente. [source: Miyamoto].

Los dos tipos más comunes de plantas fotosintéticas en la Tierra se conocen como C3 y C4, llamados así debido a la cantidad de átomos de carbono en las primeras moléculas que forman durante el CO.dos roto [sources: Seegren, Cowcer and Romeo; SERC]. El umbral de conversión teórico para las plantas C3, que representan el 95% de las plantas de la Tierra, incluidos los árboles, supera solo el 4,6%, mientras que las plantas C4, como la caña de azúcar y el maíz, se acercan al 6%. En la práctica, sin embargo, cada uno de estos tipos de plantas alcanza típicamente solo el 70% de estos valores. [sources: Deng, Chen and Zhao; Miyamoto; SERC].

Con los PMFC, como con cualquier máquina, parte de la energía se pierde en la ejecución del trabajo o, en este caso, en el crecimiento de la planta. De la biomasa producida por la fotosíntesis, solo el 20% llega a la rizosfera y solo el 30% está disponible para los microbios como alimento. [source: Deng, Chen and Zhao].

Los PMFC recuperan aproximadamente el 9% de la energía del metabolismo microbiano resultante en forma de electricidad. En total, esto equivale a una tasa de conversión de PMFC de energía solar a eléctrica cercana al 0.017 por ciento para las plantas C3 ((tasa de conversión del 70 por ciento del 4.6 por ciento) x 20 por ciento x 30 por ciento x 9 por ciento por ciento) y 0.022 por ciento para los implantes C4 ( 0,70 x 6,0 x 0,20 x 0,30 x 0,09) [sources: Deng, Chen and Zhao; Miyamoto; SERC].

De hecho, algunos investigadores creen que estas suposiciones pueden subestimar el potencial de los PMFC, lo que puede ser una buena noticia para los consumidores.

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del aceite a los arados

Está viendo dos modelos diferentes de PMFC, ambos colocados en un techo en Wageningen, Países Bajos.

Imagen cortesía de Marjolein Helder / Plant-e

Como cualquier nueva tecnología, los PMFC enfrentan varios desafíos; por ejemplo, necesitan un sustrato que promueva el crecimiento de las plantas y la transferencia de energía, dos objetivos a veces contradictorios. Las diferencias de pH entre las dos mitades de las células, por ejemplo, pueden provocar una pérdida de potencial eléctrico cuando los iones “se apresuran” a través de la membrana para lograr el equilibrio químico. [source: Helder et al.].

Sin embargo, si los ingenieros pueden resolver los problemas, los PMFC pueden tener un potencial amplio y variado. Todo se reduce a la cantidad de energía que pueden producir. Según una estimación de 2008, ese número mágico aumenta a unos 21 gigajulios (5.800 kilovatios-hora) por hectárea (2,5 acres) cada año. [source: Strik et al.]. Encuestas más recientes estiman que el número podría alcanzar los 1.000 gigajulios por hectárea. [source: Strik et al.]. Algunos otros datos para el cliente potencial [sources: BP; European Commission]:

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  • Un barril de petróleo contiene aproximadamente 6 gigajulios de energía química.
  • Europa alberga a 13,7 millones de agricultores, con un promedio de 12 hectáreas por explotación (29,6 acres).
  • En comparación, Estados Unidos tiene 2 millones de agricultores con un promedio de 180 hectáreas (444,6 acres) cada uno.

Con base en estas cifras, si el 1% de las tierras agrícolas en los EE. UU. Y Europa se convirtieran a CFMP, darían una estimación mínima de 34,5 millones de gigajulios (9,58 mil millones de kilovatios-hora) por año para Europa y 75,6 millones de gigajulios (20,9 mil millones de kilovatios-hora)) anualmente para Estados Unidos.

A modo de comparación, los 27 países de la Unión Europea consumieron 1.759 millones en 2010 toneladas de equivalente de petróleo (tep) en energía, o 74,2 mil millones de gigajulios (20,500 mil millones de kilovatios-hora). El TOE es una unidad estandarizada para comparación internacional, igual a la energía contenida en una tonelada de aceite. [sources: European Commission; Universcience].

En este escenario simplificado, los PMFC proporcionan una gota en un gran cubo de energía, pero es una gota sin contaminación y generada por paisajes exuberantes en lugar de plantas de energía que arrojan humo o aplastan los parques eólicos.

Además, esto es solo el comienzo. Los investigadores ya están trabajando en bacterias devoradoras de desechos más eficientes y, entre 2008 y 2012, los avances en la química del sustrato duplicaron con creces la producción eléctrica en algunos CFMP. PlantPower afirma que, una vez perfeccionados, los PMFC pueden proporcionar hasta el 20 por ciento de la energía primaria – o energía derivada de recursos naturales no procesados [source: Øvergaard; PlantPower].

Los PMFC deben ser más baratos y más eficientes antes de que puedan beneficiarse de la implementación a gran escala, pero se están logrando avances. Muchos MFC ya están ahorrando dinero al fabricar electrodos de tejido de carbono altamente conductor en lugar de metales preciosos o costosos fieltros de grafito. [sources: Deng, Chen and Zhao; Tweed]. En 2012, costó $ 70 operar una planta de un metro cúbico en condiciones de laboratorio.

Al considerar su potencial para eliminar contaminantes y reducir los gases de efecto invernadero, ¿quién sabe? Los PMFC pueden despertar el interés suficiente de los inversores y los gobiernos para convertirse en las potencias del futuro o plantar la semilla de una idea aún mejor. [source: Deng, Chen and Zhao].

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Si se establecen las células de combustible microbianas de las plantas, las plantas de arroz como estas pueden significar tanta energía como alimento.  ¿Desea saber más?  Mira estas fotos de vehículos de combustible alternativo.

Si se establecen las células de combustible microbianas de las plantas, las plantas de arroz como estas pueden significar tanta energía como alimento. ¿Desea saber más? Mira estas fotos de vehículos de combustible alternativo.

Creative Commons / midorisyu (con licencia CC BY 2.0)

Directa o indirectamente, casi toda la vida en la Tierra funciona con energía solar.

Las plantas convierten la luz solar en compuestos orgánicos que, cuando son consumidos por otras formas de vida, transmiten energía solar al resto de la cadena alimentaria. Como seres humanos, accedemos a esta energía almacenada a través de la digestión y la quema de plantas crudas o procesadas. El aceite es simplemente materia orgánica muerta transformada por fuerzas geológicas y los biocombustibles de primera generación se extraen del maíz, la caña de azúcar y el aceite vegetal. [source: The New York Times].

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Desafortunadamente, el petróleo está tan plagado de preocupaciones ambientales y de seguridad como la energía, y los biocombustibles de primera generación, que se refinan quemando otros combustibles, están muy por debajo de la neutralidad de carbono. Peor aún, a medida que los cultivos alimentarios mundiales literalmente pierden terreno frente a la producción de biocombustibles, la creciente escasez está elevando los precios de los alimentos, el hambre y la inestabilidad política. [source: The New York Times].

Pero, ¿y si hubiera una forma de comer nuestro arroz y quemarlo también? ¿Qué pasaría si pudiéramos obtener energía de los cultivos sin matarlos, o generar energía utilizando plantas y tierras innecesarias para la alimentación, utilizando el poder de los microbios? Esta es la idea detrás de esto pilas de combustible para plantas microbianas (PMFC)

Cuando se trata de hacer que la vida funcione, las plantas pueden tener una buena prensa, pero es el microbio maligno el que mantiene unida la cadena alimentaria. Específicamente, las cianobacterias ayudan a formar su base; los microbios intestinales nos ayudan a digerir los alimentos; y las bacterias del suelo convierten los desechos resultantes en nutrientes que las plantas pueden utilizar.

Durante décadas, los investigadores han estado buscando posibles formas de obtener energía de este metabolismo microbiano. En la década de 1970, sus esfuerzos comenzaron a dar frutos en forma de pilas de combustible microbianas (MFC) – dispositivos que generan electricidad directamente a partir de una reacción química catalizada por microbios [source: Rabaey and Verstraete]. Los MFC brindan opciones renovables y energéticamente eficientes para monitorear contaminantes, limpiar y desalinizar agua y alimentar sensores e instrumentos remotos.

Obviamente, hay un problema: los MFC solo funcionan mientras tengan algo para picar, generalmente orgánico en las aguas residuales. [sources: Deng, Chen and Zhao; ONR]. Los investigadores se dieron cuenta de que podían entregar esta basura, un buffet interminable de energía solar, directamente a los microbios del suelo de las plantas mismas, y se plantó la semilla de una idea.

En 2008, los investigadores publicaron artículos anunciando el primero de estos MFC impulsados ​​por plantas, y el potencial se estaba volviendo cada vez más claro. [sources: Deng, Chen and Zhao; De Schamphelaire et al.; Strik et al.]. Gracias a esta tecnología escalable, las aldeas y granjas de los países en desarrollo podrían volverse autosuficientes, mientras que los países industrializados podrían reducir su huella de efecto invernadero extrayendo energía de humedales, invernaderos o biorrefinerías. [sources: Doty; PlantPower].

En resumen, los PMFC son una versión más nueva y más ecológica de las “centrales eléctricas”, tal vez.

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