Uno de los grandes problemas de los sistemas de energía sostenible es cómo almacenar la electricidad generada por el viento, el sol y las olas. En la actualidad, ninguna tecnología existente proporciona almacenamiento a gran escala y recuperación de energía para la energía sostenible a un bajo coste financiero y medioambiental.
Los microbios electroactivos de ingeniería podrían ser parte de la solución; estos microbios son capaces de tomar prestado un electrón de la electricidad solar o eólica y utilizar la energía para separar las moléculas de dióxido de carbono del aire. Los microbios pueden entonces tomar los átomos de carbono para hacer biocombustibles, como el isobutanol o el propanol, que podrían quemarse en un generador o añadirse a la gasolina, por ejemplo.
«Creemos que la biología desempeña un papel importante en la creación de una infraestructura energética sostenible», dijo Buz Barstow, profesor adjunto de ingeniería biológica y ambiental de la Universidad de Cornell. «Algunos papeles serán de apoyo y otros importantes, y estamos tratando de encontrar todos esos lugares donde la biología pueda funcionar.»
Barstow es el autor principal de «Electrical Energy Storage With Engineered Biological Systems», publicado en el Journal of Biological Engineering.
La adición de elementos de ingeniería eléctrica (sintéticos o no biológicos) podría hacer que este enfoque sea aún más productivo y eficiente que los microbios solos. Al mismo tiempo, tener muchas opciones también crea demasiadas opciones de ingeniería. El estudio proporciona información para determinar el mejor diseño en función de las necesidades.
«Estamos sugiriendo un nuevo enfoque en el que unimos la ingeniería electroquímica biológica y no biológica para crear un nuevo método de almacenamiento de energía», dijo Farshid Salimijazi, estudiante de posgrado del laboratorio de Barstow y primer autor del artículo.
La fotosíntesis natural ya ofrece un ejemplo para almacenar energía solar a gran escala y convertirla en biocombustibles en un circuito cerrado de carbono. Captura cerca de seis veces más energía solar en un año que todas las civilizaciones que utilizan en el mismo tiempo. Pero, la fotosíntesis es realmente ineficiente en la cosecha de la luz solar, absorbiendo menos del uno por ciento de la energía que llega a las células de fotosíntesis.
Los microbios electroactivos nos permiten reemplazar la recolección biológica de luz por la fotovoltaica. Estos microbios pueden absorber electricidad en su metabolismo y usar esta energía para convertir el CO2 en biocombustibles. El enfoque es muy prometedor para lograr que los biocombustibles sean más eficientes.
Los microbios electroactivos también permiten el uso de otros tipos de electricidad renovable, no sólo la electricidad solar, para alimentar estas conversiones. Además, algunas especies de microbios artificiales pueden crear bioplásticos que podrían ser enterrados, eliminando así el dióxido de carbono (un gas de efecto invernadero) del aire y secuestrándolo en el suelo. Las bacterias podrían ser diseñadas para revertir el proceso, convirtiendo un bioplástico o biocombustible de nuevo en electricidad. Todas estas interacciones pueden ocurrir a temperatura y presión ambiente, lo cual es importante para la eficiencia.
Los autores señalan que los métodos no biológicos para utilizar la electricidad para la fijación de carbono (asimilar el carbono del CO2 en compuestos orgánicos, como los biocombustibles) están empezando a igualar e incluso superar las capacidades de los microbios. Sin embargo, las tecnologías electroquímicas no son buenas para crear el tipo de moléculas complejas necesarias para los biocombustibles y los polímeros. Se podrían diseñar microbios electroactivos de ingeniería para convertir estas moléculas simples en moléculas mucho más complicadas.
Las combinaciones de microbios de ingeniería y sistemas electroquímicos podrían exceder en gran medida la eficiencia de la fotosíntesis. Por estas razones, un diseño que combine los dos sistemas ofrece la solución más prometedora para el almacenamiento de energía, según los autores.
«Por los cálculos que hemos hecho, creemos que es definitivamente posible», dijo Salimijazi.
El documento incluye datos de rendimiento sobre diseños biológicos y electroquímicos para la fijación de carbono. El estudio actual es «la primera vez que alguien ha reunido en un solo lugar todos los datos que se necesitan para hacer una comparación de la eficiencia de todos estos diferentes modos de fijación de carbono», dijo Barstow.
En el futuro, los investigadores planean usar los datos que han reunido para probar todas las combinaciones posibles de componentes electroquímicos y biológicos, y encontrar las mejores combinaciones entre tantas opciones.
El estudio fue apoyado por Cornell y el Burroughs-Wellcome Fund.