Tecnología y energía bio-fotovoltaica Pt-1
Producción de energía y reducción de CO2.
La humanidad enfrenta graves desafíos causados por la superpoblación y las elecciones de estilos de vida insostenibles. Incluso si las nuevas políticas energéticas pudieran adaptarse eficientemente a nivel mundial, esto requeriría un aumento de la producción de petróleo de más del 15% y, en consecuencia, aumentaría aún más las emisiones de CO 2. Sin embargo, se predice que una descarbonización de la economía podría ser esencial en un esfuerzo por frenar el calentamiento global a 2 °C. Esto requiere nuevas políticas energéticas, pero lo más importante es reducir el uso de combustibles fósiles en la cadena de suministro de energía y materiales y frenar el desperdicio insostenible de recursos. Si bien esto último es responsabilidad de cada individuo, lo primero solo puede lograrse mediante el desarrollo de tecnologías novedosas.
La fotovoltaica biológica (BPV) es una tecnología de generación de energía limpia que utiliza material fotosintético biológico para capturar energía solar y producir energía eléctrica directamente.
Los BPV son sistemas electroquímicos biológicos, similares a las pilas de combustible microbianas. En un sistema BPV, el material fotosintético se emplea en la semicelda anódica donde oxida el agua utilizando energía luminosa. Algunos de los electrones generados por la fotólisis del agua se transfieren a un electrodo (ánodo). En el cátodo, una reacción con un potencial relativamente alto consume electrones y crea una diferencia de potencial entre los dos electrodos, impulsando la corriente eléctrica a través de un circuito externo.
Los sistemas BPV pueden emplear células enteras de algas o cianobacterias como material captador de luz, o fracciones subcelulares fotosintéticas purificadas, como membranas tilacoides o fotosistemas aislados. El material fotosintético subcelular puede transferir electrones al ánodo de manera más eficaz, pero no puede repararse a sí mismo. Por el contrario, hemos demostrado que los sistemas BPV que utilizan organismos completos pueden generar energía durante meses seguidos. Se espera que esta capacidad de autoreparación y autoensamblaje haga de los sistemas BPV una alternativa rentable a los paneles solares convencionales.
La tecnología detrás de estos sistemas está todavía en su infancia y aún no existe una aplicación comercial generalizada. Sin embargo, se espera que el uso de un organismo vivo para la recolección de luz dé como resultados dispositivos fotovoltaicos que sean más baratos y más fáciles de mantener que las alternativas sintéticas, como los fotovoltaicos basados en silicio, que forman la base de la mayoría de las instalaciones de paneles solares comerciales y domésticos. Esto se debe a que los organismos vivos han evolucionado para autoensamblarse y autorrepararse de manera extremadamente eficiente mediante procesos orgánicos.
La idea básica es la conversión de energía luminosa en energía eléctrica mediante microorganismos fotosintéticos. Los microbios utilizarán su aparato fotosintético y la luz entrante para dividir la molécula de agua. Los protones y electrones generados se recolectan mediante un sistema bioelectroquímico. El desafío clave es la extracción de electrones de las cadenas microbianas de transporte de electrones hacia un ánodo de estado sólido. En el cátodo se produce una contrarreacción electroquímica correspondiente que consume los protones y electrones, p. ej. mediante la reducción del oxígeno a agua o la formación de hidrógeno. En esta revisión, nuestro objetivo es resumir el estado actual del arte y señalar algunas limitaciones. Ponemos un énfasis específico en las cianobacterias, ya que estos microbios se consideran futuros caballos de batalla para la fotobiotecnología y actualmente son los microbios más ampliamente aplicados en la investigación biofotovoltaica. El progreso actual en biofotovoltaica está limitado por las muy bajas salidas de corriente de los dispositivos, mientras que la falta de comparabilidad y estandarización de la configuración experimental dificulta una optimización sistemática de los sistemas. Sin embargo, las cuestiones fundamentales del homeostasis en fotoautótrofos y el potencial de recolectar directamente energía luminosa de un fotosistema altamente eficiente, en lugar de mediante la oxidación de biomasa producida de manera ineficiente, son aspectos muy relevantes de la biofotovoltaica.
Se están considerando tanto materiales simples como complejos. La ventaja de los materiales simples es que tienden a ser más eficientes que los materiales complejos, pero la desventaja es que generalmente son menos robustos.
Los fotosistemas aislados son los más simples disponibles y ofrecen una conexión directa entre la reducción anódica y la fotólisis del agua. Estos sistemas suelen estar aislados y absorbidos por una superficie conductora. Sin embargo, estos tienden a tener una vida útil corta (solo unas pocas horas) y requieren bajas temperaturas para mejorar la estabilidad.
Un poco más complejas son las fracciones subcelulares. Estos dispositivos utilizan fracciones de organismos fotosintéticos, como membranas tilacoides purificadas.
Algunos sistemas biológicos fotovoltaicos, como las cianobacterias, se han desarrollado para aprovechar organismos biológicos completos. El sistema cultiva cianobacterias en suspensión con un ánodo hecho de óxido de indio y estaño.
Se trata del tipo más robusto de sistema fotovoltaico biológico, con vidas útiles de meses observadas hasta ahora en la literatura. Las membranas exteriores aislantes de todas las células reducen la transferencia de electrones, lo que da como resultados dispositivos con una menor eficiencia de conversión de energía.
