APROVECHANDO EL PODER DE LAS ALGAS - FERIA DE LA CIENCIA Y TECNOLOGIA

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APROVECHANDO EL PODER DE LAS ALGAS
Nuevas células de combustible más ecológicas están cerca de la realidad
Los investigadores de la Universidad de Cambridge han desarrollado un nuevo diseño de celdas de combustible alimentadas con algas, que es cinco veces más eficiente que los modelos de plantas y algas existentes, además de ser potencialmente más rentable para producir y prácticar su uso.
A medida que la población mundial aumenta, también lo hace la demanda de energía. La amenaza del cambio climático significa que hay una necesidad urgente de encontrar alternativas más limpias y renovables a los combustibles fósiles que no contribuyan con grandes cantidades de gases de efecto invernadero con consecuencias potencialmente devastadoras para nuestro ecosistema. La energía solar se considera una fuente particularmente atractiva, pues en  promedio, la tierra recibe alrededor de 10.000 veces más energía del sol en un tiempo dado que la requerida por el consumo humano.


En los últimos años, además de los dispositivos fotovoltaicos sintéticos, la biofotovoltaica (BPVs, también conocida como células solares biológicas) ha emergido como un enfoque respetuoso con el medio ambiente y de bajo costo para la recolección de energía solar y la conversión en  electricidad. Estas células solares utilizan las características fotosintéticas de microorganismos tales como algas para convertir la luz en corriente eléctrica que se puede utilizar para proporcionar electricidad.

Durante la fotosíntesis, las algas producen electrones, algunos de los cuales se exportan fuera de la célula donde pueden suministrar corriente eléctrica a los dispositivos de alimentación
Hasta la fecha, todos los BPVs  demostrados han localizado la carga (la cosecha ligera y la generación  del electrón) y la entrega de la energía (transferencia al circuito  eléctrico) en un solo compartimiento; los electrones generan corriente  tan pronto como se han secretado.

En una nueva técnica descrita  en la revista Nature Energy, investigadores de los departamentos de  bioquímica, química y física de la Universidad de Cambridge, han colaborado en el desarrollo de un  sistema de BPV de dos cámaras donde los dos procesos centrales  involucrados en el funcionamiento de una célula solar – generación de  electrones y su conversión al poder – se separan.

"La carga y la entrega de  energía a menudo tienen requisitos contradictorios", explica Kadi Liis  Saar, del Departamento de química. "por ejemplo, la unidad de carga debe  estar expuesta a la luz solar para permitir una carga eficiente,  mientras que la parte de suministro de energía no requiere exposición a  la luz, sino que debe ser efectiva para convertir los electrones a  corriente con pérdidas mínimas".

La construcción de un sistema  de dos cámaras permitió a los investigadores diseñar las dos unidades de  forma independiente y a través de esto optimizar el rendimiento de los  procesos simultáneamente
"La separación de la carga y la entrega de energía significaba que pudimos mejorar el rendimiento de la unidad de suministro de energía a través de miniaturización", explica el profesor Tuomas Knowles del Departamento de química y el laboratorio de Cavendish. "A escalas en miniatura, los fluidos se comportan de manera muy diferente, permitiéndonos diseñar células más eficientes, con menor resistencia interna y disminución de pérdidas eléctricas".

El equipo utilizó algas que habían sido modificadas genéticamente para llevar mutaciones que permiten a las células minimizar la cantidad de carga eléctrica que se disipó de forma no productiva durante la fotosíntesis. Junto con el nuevo diseño, esto permitió a los investigadores construir una célula biofotovoltaica con una densidad de potencia de 0,5 W/m2, cinco veces la de su diseño anterior. Si bien esto sigue siendo sólo alrededor de una décima parte de la densidad de energía proporcionada por las células de combustible solar convencionales, estos nuevos BPVs tienen varias características atractivas, dicen.

"Mientras que las células solares convencionales basadas en silicio son más  eficientes que las células alimentadas con algas en la fracción de la  energía solar que se convierten en energía eléctrica, hay posibilidades atractivas con otros tipos de materiales", dice el profesor Christopher Howe del Departamento de bioquímica. "En particular, debido a que las algas crecen y se dividen de forma natural, los sistemas basados en ellos pueden requerir menos inversión energética y pueden producirse de  manera descentralizada".

"Este es un gran paso adelante  en la búsqueda de combustibles alternativos y más verdes", dice el Dr.  Paolo BOMBELLI, del Departamento de bioquímica. "Creemos que estos  desarrollos llevarán a sistemas basados en algas más cerca de la  implementación práctica".
Separar la generación de energía y los componentes de almacenamiento también tiene otras ventajas, dicen los investigadores. La carga se puede  almacenar, en lugar de tener que ser utilizada de inmediato, lo que significa que la carga podría ser generada durante la luz del día y luego ser utilizada en la noche.

Si bien es poco probable que las celdas de combustible alimentadas con algas generen suficiente electricidad para alimentar un sistema de red, pueden ser particularmente útiles en zonas como el África rural, donde la luz del sol está en abundancia, pero no existe un sistema de red  eléctrica. Además, mientras que los fotovoltaicos sintéticos  basados en semiconductores se producen generalmente en instalaciones dedicadas lejos de donde se utilizan, la producción de BPVs podría ser realizada directamente por la comunidad local, dicen los investigadores.

El Dr. Paolo BOMBELLI es un investigador post-doctoral en el Departamento de bioquímica, donde su investigación busca utilizar la actividad fotosintética y metabólica de plantas, algas y bacterias para crear dispositivos biofotovoltaicos, una fuente sostenible de energías renovables actual. Él se describe como "un electricista de las plantas, de las algas y de las bacterias".

"La  fotosíntesis genera un flujo de electrones que mantiene vivas las  plantas, algas y otros organismos fotosintéticos", explica. "estos  electrones fluyen a través de cables biológicos y, como la corriente  eléctrica obtenida de una batería y utilizada para alimentar una radio,  son la fuerza motriz de cualquier actividad celular."

La fascinación del Dr.  BOMBELLI con esta área de investigación comenzó durante sus estudios de  licenciatura en la Universidad de Milán.
"las plantas, las algas y las bacterias fotosintéticas son los paneles  solares más antiguos, más comunes y efectivos de nuestro planeta", dice el Doctor Bombelli. "durante miles de millones de años han estado aprovechando la energía del sol y utilizándola para proporcionar oxígeno, alimentos y materiales  para mantener la vida. Con mi trabajo tengo el objetivo de proporcionar nuevas formas de abrazar el potencial de estos fantásticos organismos fotosintéticos ".

Su trabajo es altamente interdisciplinario, con aportes de los departamentos de bioquímica, Ciencias de las plantas, química y física, y del Instituto de manufactura, así como de investigadores del Imperial College London, UCL, la Universidad de Brighton, el Instituto de arquitectura avanzada de Cataluña en España y la Universidad de Cape Town, Sudáfrica.

"Las universidades son grandes lugares para trabajar y por eso atraen a muchas personas", dice. "la gente elige venir a Cambridge porque saben que las ideas que generan aquí van a cambiar el mundo".

En 2016, el Dr. BOMBELLI ganó un compromiso público con el Premio de investigación de la Universidad de Cambridge por su trabajo involucrando a la audiencia en más de 40 eventos públicos, incluyendo festivales de ciencia y ferias de diseño, llegando a miles de personas en siete países. Su trabajo de divulgación incluyó trabajar con el profesor Chris  Howe para desarrollar un prototipo ' Green bus Shelter ' donde las  plantas, los paneles solares clásicos y los sistemas bio-electroquímicos operan en sinergia en una sola estructura.

La investigación fue apoyada por el Leverhulme Trust, el Consejo de investigación de ingeniería y ciencias físicas y el Consejo Europeo de investigación.
Dr Paolo Bombelli
Department of Biochemistry
University of Cambridge
Hopkins Building
Downing Site
Cambridge CB2 1QW
United Kingdom

Email: pb346@cam.ac.uk
Teléfono: +44 (0)1223 333687
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