Los ingenieros de la Universidad de Stanford han desarrollado una nueva forma de generar electricidad a partir de aguas residuales utilizando «microbios» naturales cableados como minicentrales, produciendo electricidad mientras digieren los desechos animales y vegetales
En un artículo publicado en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias, los co-autores Yi Cui, científico de materiales, Criddle Craig, un ingeniero ambiental, y Xing Xie, un compañero interdisciplinario, llaman a su invención «batería microbiana».
Ellos esperan que algún día sea utilizado en lugares como plantas de tratamiento de aguas residuales, o descomponiendo los contaminantes orgánicos en las «zonas muertas» de los lagos y las aguas costeras, donde los fertilizantes escurridos y otros residuos orgánicos pueden reducir los niveles de oxígeno y sofocar la vida marina.
Por el momento, sin embargo, su prototipo de laboratorio es aproximadamente del tamaño de una pila D y parece un experimento de química, con dos electrodos, uno positivo y el otro negativo, sumergidos en una botella de agua residual.
Dentro de esa turbia ampolleta, unidas al electrodo negativo como lapas al casco de un barco, un tipo inusual de bacterias se hacen un festín con las partículas de desechos orgánicos y producen la electricidad, que se captura por el electrodo positivo de la batería.
«Lo llamamos ‘pesca de electrones'», dijo Criddle, profesor en el departamento de ingeniería civil y ambiental e investigador principal en el Instituto Stanford Woods para el Medio Ambiente.
Los científicos han sabido por mucho tiempo de la existencia de lo que ellos llaman microbios exoelectrogénicos; organismos que han evolucionado en ambientes sin ventilación y que han desarrollado la capacidad de reaccionar con minerales oxidados en vez de respirar oxígeno como lo hacemos para convertir los nutrientes orgánicos en combustible biológico.
Durante los últimos doce años, más o menos, varios grupos de investigación han intentado varias formas de utilizar estos microbios como bio-generadores, pero el aprovechar esta energía de manera eficiente ha demostrado ser un desafío.
Lo nuevo en la pila microbiana es un diseño simple pero eficaz que pone estas bacterias exoelectrogénicas a trabajar.
En el electrodo negativo de la batería, las colonias de microbios cableados se aferran a los filamentos de carbono que sirven como conductores eléctricos eficientes. Utilizando un microscopio electrónico de barrido, el equipo de Stanford capturó imágenes de estos microbios que fijan zarcillos lechoso a los filamentos de carbono.
«Se puede ver que los microbios crean nanocables para volcar al exterior su exceso de electrones», dijo Criddle. Para poner las imágenes en perspectiva, cerca de 100 de estos microbios podrían caber, uno al lado del otro, en el ancho de un cabello humano.
Cuando estos microbios ingieren materia orgánica y la convierten en combustible biológico, su exceso de electrones fluye en los filamentos de carbono y a través del electrodo positivo, que está hecho de óxido de plata, un material que atrae electrones.
Los electrones que fluyen al nodo positivo reducen gradualmente el óxido de plata a plata, almacenando los electrones sobrantes durante el proceso. De acuerdo con Xie, después de un día más o menos, el electrodo positivo ha absorbido una carga completa de electrones y se ha convertido en plata en gran parte.
En ese momento se retira de la pila y se vuelve a oxidar la plata en óxido, liberando los electrones almacenados.
Los ingenieros de Stanford estiman que la batería microbiana puede extraer aproximadamente el 30 por ciento de la energía potencial encerrada en las aguas residuales. Esto es más o menos la misma eficacia a la cual las mejores células solares disponibles comercialmente convierten la luz solar en electricidad.
Por supuesto, hay mucho menos potencial de energía en las aguas residuales. A pesar de ello, los autores dicen que la batería microbiana vale la pena, ya que podría compensar parte de la electricidad que se utiliza actualmente para el tratamiento de aguas residuales. Ese uso actualmente representa alrededor del tres por ciento de la carga eléctrica total en los países desarrollados. La mayor parte de esta electricidad va hacia bombeo de aire en las aguas residuales en las plantas de tratamiento convencionales, donde las bacterias ordinarias utilizan oxígeno en el curso de la digestión, al igual que los seres humanos y otros animales.
De cara al futuro, los ingenieros de Stanford dicen que su mayor reto será encontrar un material barato, pero eficaz, para el nodo positivo.
«Hemos demostrado el principio el uso de óxido de plata, pero la plata es demasiado cara para su uso a gran escala», dijo Cui, profesor asociado de ciencias de los materiales e ingeniería, quien también está afiliado con el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC. «A pesar de que la búsqueda de un material más práctico está en curso, encontrar un sustituto tomará tiempo.»
Fuente: Science Daily. Aportado por Eduardo J. Carletti
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El problema es que los iones de sodio son muchas veces más grandes que los de litio, y dañan gradualmente el ánodo de una batería a medida que se difunden durante la carga y descarga. Otra cuestión es que el uso de un ánodo de estaño en este tipo de baterías podría ofrecer una mayor capacidad de almacenamiento de energía, pero esto conduce a la formación de una aleación de sodio-estaño que hace que la batería se hinche, acelerando lo que se conoce como «pulverización estructural». El resultado es que una batería de sodio-litio con un ánodo de estaño sólo puede ser cargada y descargada alrededor de 20 veces.