El generador de electricidad biológico

Generador eléctrico
Fuente: Bo Krantz Simonsen (dominio público)

Seguro que sabes acerca de los generadores eléctricos. Sí, esos aparatos que usan el magnetismo para producir electricidad. Como las turbinas de las centrales hidroeléctricas. O mareomotrices, o eólicas, o… Hay muchos tipos de generadores por la fuente de energía que emplean, pero la mayoría comparten un mismo diseño básico: algo hace dar vueltas a un imán cerca de una bobina hecha de material conductor. Es decir, un generador convierte energía cinética de alguna clase en energía eléctrica.

Y de eso vivimos… De dispositivos como este obtienes la electricidad que facilita tu día a día.

Pero… Pero nos faltan generadores más diversos. Bueno, sí los tenemos, pero no son tremendamente eficaces. Muchos de ellos son secundarios. Es decir, toman energía eléctrica ya creada, la almacenan en alguna otra clase de energía (normalmente química, como las pilas o las baterías de tu móvil) y luego la entregan de nuevo como energía eléctrica. Muchos de ellos acuden a energías primarias, como la del Sol, para producir energía eléctrica (fotovoltaica). Y mejores baterías y mejores paneles solares forman parte de nuestras esperanzas de futuro.

Pero estamos desdeñando un camino importante. La transformación directa de energía química en electricidad. Y es importante porque la química es la energía de la que se vale la vida. Es la que está almacenada en los enlaces entre átomos para formar moléculas. Es la misma energía que ata unos átomos a otros en una losa y resiste tu peso cuando pisas. O la misma que hay en el pan de un bocadillo.

Ahora hay un equipo científico está probando un enfoque diferente. Un enfoque que imita, al menos en parte, el metabolismo. Un enfoque en el que el ánodo de un circuito resulta alimentado por unos enzimas que le pasan electrones. ¿Y de dónde sacan los enzimas esos electrones? Ellos se los arrancan a glúcidos (primero hay enzimas que rompen los polisacáridos en monosacáridos; luego hay enzimas que oxidan -roban electrones- a los monosacáridos). Eso se parece, al menos en concepto, a la glucólisis. A una serie de reacciones químicas que ejecutamos nosotros para obtener energía de la glucosa. Es, por tanto, una imitación a una parte de nuestro metabolismo.

Generador eléctrico metabólico
Fuente: JACS

Esos electrones, robados a los glúcidos por los enzimas y pasados al ánodo, ponen en marcha un circuito eléctrico que alimenta algún tipo de dispositivo. Del cuerpo o añadido. Podría ser una minicámara, podría ser una neurona, podría ser un músculo, podría ser una grabadora…

Y los electrones llegan al cátodo, otro enzima se tiene que deshacer de ellos para mantener la corriente. Y para quitárselos de encima se los pasa al oxígeno. Lo cual deja un residuo, un desecho nada peligroso. La basura del proceso es agua (o lo que es lo mismo, oxígeno reducido). Que es exactamente lo que pasa en otra parte de nuestro metabolismo: la cadena de transporte electrónico.

Según Daniel Scherson

«The key to converting the chemical energy is using enzymes in series at the anode. The first enzyme breaks the sugar, trehalose, which a cockroach constantly produces from its food, into two simpler sugars, called monosaccharides. The second enzyme oxidizes the monosaccharides, releasing electrons. The current flows as electrons are drawn to the cathode, where oxygen from air takes up the electrons and is reduced to water».

Desde luego, el circuito se inspira en el metabolismo, sí. Aunque aún le falta mucho para llegar al nivel alcanzado por la evolución. Solo rinde unas pocas decenas de microwatios por centímetro cuadrado (µw/cm2) a una diferencia de pontencial de 0,2 voltios. Exiguo para las necesidades que se le auguran a este tipo de dispositivos. Pero lo importante es que la idea está en marcha.

Y lo importante es que tú puedas imaginar qué hacer con esto. Los autores lo que han hecho es implantarle el generador a una cucaracha y ver que sí funciona. Y con él podrían lograr, más adelante, que opere una microcámara sobre ella, recorriendo lugares a los que no podemos acceder nosotros. Quizá con otro generador conectado a sus neuronas que la haga moverse como queramos; a derecha o a izquierda, o pararse, o avanzar. Y todo, todo, alimentado por los nutrientes que hay en la sangre de la propia cucaracha. Por glúcidos. Es muy probable que tras una misión de exploración la pobre acabe con mucho apetito, pues parte de sus nutrientes no irían a sus células, sino a los generadores.

¡Ah! Y de paso, una buena razón para conservar ecosistemas. Sí, sí… Porque los organismos vivos tienen múltiples enzimas. Las cuales podrían ser, algún día, parte de un circuito eléctrico. No parece tener mucho sentido, ante este empuje de la biotecnología, sustituir ecosistemas por ladrillos… Creo…

Me enteré de esto leyendo Fayerwayer y siguiendo la pista de los links…

ResearchBlogging.orgRasmussen, M., Ritzmann, R., Lee, I., Pollack, A., & Scherson, D. (2012). An Implantable Biofuel Cell for a Live Insect Journal of the American Chemical Society, 134 (3), 1458-1460 DOI: 10.1021/ja210794c

Setmana de l’energia solar

Aquest any el Centre ha participat en la Setmana de l'Energia Solar. De totes les activitats realitzades, els alumnes de segon i tercer de l'ESO van elaborar posters informatius dels aspectes amb més avantatges d'aquesta energia. Un dels punts estudiats pels alumnes va ser el gràfic, especialment a la Comunitat Valenciana, de l'incidència de la temperatura mitjana al llarg de tot l'any i les

Completando una famosa frase sobre la energía

Que es verdad esa frase esa que dice: “la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma”. Pero yo me voy a atrever con ella. Voy a cambiarla un poquito… Creo que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma y se inutiliza (en cada transformación).

Es que la energía no es otra cosa que la capacidad para producir cambios de algún tipo. Pero en realidad la energía no existe. Es más bien una abstracción, un conjunto de características que comparten una serie de sistemas. Como los enlaces químicos (energía química), los movimientos de los átomos y sus choques (energía calorífica), los fotones (energía electromagnética), los electrones viajando en un material (energía eléctrica), la tensión que sufre un montón de enlaces químicos que son modificados e intentan volver a la situación anterior (energía elástica)…

Todas esas “energías” comparten la propiedad de producir cambios. Y unas se pueden convertir en otras. Pero… Pero no todas pueden producir la misma cantidad de cambio. Y la que menos, el calor.

Calor
Fuente: Absolute Astronomy

Resulta que el calor es una forma de energía muy dispersa, muy poco densa. Consiste en el movimiento de las moléculas que componen algo. Por tanto, el calor está repartido en todas ellas, en todas esas moléculas. Si quisieras aprovechar todo el calor de un cuerpo tendrías que poner de acuerdo a todas esas partículas para que golpearan en el mismo sitio a la vez. A miles de miles de miles de millones de ellas… No, no, eso no es lógico que suceda. A lo mejor alguna vez a lo largo de toda la historia del Universo. Pero no es lo normal, no.

En cambio, otras formas de energía son mejores, en el sentido de que son más densas. Hay más energía en electrones moviéndose que en átomos vibrando. Por eso la energía eléctrica es más útil, está más concentrada. Y puede producir más cambio. Igual sucede con la energía química.

El problema es que nuestra civilización ha basado casi todo lo que ha hecho en convertir energías de diversos tipos en calor. La peor de todas. No, no fue una buena idea. La máquina de vapor nos ha llevado a otro nivel quemando cosas. Esa fue una revolución industrial, sí. Pero ahora necesitamos otro enfoque. Diferente de convertir a calor todo lo que pillamos.

Biocarburantes celulósicos

He leído, en el número de septiembre de 2009, un buen artículo de George W. Huber y Bruce E. Dale. En él plantean una alternativa, al menos a corto plazo, a la dependencia del petróleo.

Que se puedan producir biocombustibles es interesante por varias razones. La que te mencionaba al principio de que su uso no contribuiría de forma neta al calentamiento global (el CO2 que se emite es el CO2 que las plantas captaron), lo que convertiría al combustible en una fuente de energía renovable. ¡Claro! Las plantas toman el CO2 del aire y su transformación en combustible lo devuelve, en un bucle cerrado. Es un concepto radicalmente distinto del de usar combustibles fósiles, en el que tomas CO2 que se retiró de la atmósfera hace millones de años y lo añades. De golpe, además. Por otro lado, aumentaría probablemente los ingresos del sector agrícola. Y cambiaría la situación geopolítica al fomentar el abastecimiento local de combustibles.

Pero… Pero no todo es color de rosa. La producción de biocombustibles puede competir por los suelos cultivables con la comida. Requieren, al menos inicialmente, de subvenciones, lo que conllevaría un notable gasto público, que debe merecer la pena inequívocamente (es decir, que apostar por los biocombustibles podría desviar recursos de otras soluciones que resulten mejores, realmente). Y la generación de biocombustibles no es gratis. Incluso, durante su síntesis se produce CO2, que habría que tener en cuenta a la hora de hacer un balance completo. Sí, sé que al principio te decía que su uso no producía descarga neta de CO2. Pero su elaboración sí. Bajo la forma de fertilizantes para las plantas, combustible para las máquinas, destilado de las materias primas… Esto se podría evitar si para producir biocombustibles se usaran sólo biocombustibles. Así se evitarían emisiones netas de CO2.

Resumiendo, yo creo que los biocombustibles son una buena idea, si cumplieran tres premisas.

  • Primera, no restar comida.
  • Segunda, no aumentar la superficie cultivada.
  • Tercera, producirse con los propios biocombustibles para evitar emisiones netas de CO2.

Son restricciones exigentes, pero inevitables. Y que no solucionan el problema de sustituir el petróleo, pero que pueden dar un 10% de alivio. Y es que es probable que el futuro no esté hecho de una solución, sino de un mosaico de ellas. Y es posible que los biocombustibles sean parte de la solución. O quizá no. Por eso te cuento. Para que puedas saber y tomar buenas decisiones.

Biocombustibles

Fuente: http://tinyurl.com/yj4ma9y

Existen biocombustibles de primera generación. Que emplean los mismos productos vegetales que nosotros comemos o que damos al ganado. Se trata de materiales fáciles de procesar y relativamente baratos. Pero no cumplen con la primera premisa. Nos quitan comida y presionan sobre los precios de la que no nos quitan. Y para evitar esos daños aparecen los biocombustibles de segunda generación.

Los de segunda generación, o celulósicos, emplean residuos vegetales. Serrín y restos de construcción, residuos agrícolas y cultivos leñosos de crecimiento rápido. Estos materiales son abundantes, baratos y no deberían afectar a la producción de alimentos. Tampoco son inocuos, ojo, que muchos de ellos deberían terminar fertilizando suelos (especialmente los residuos agrícolas). Pero a las alturas que estamos, lo inocuo no existe.

¿Cuánto petróleo ahorrarían? En EE.UU., los autores calculan que la biomasa celulósica de aquel país servirá para sustituir la mitad del consumo de combustibles para automoción. Y a nivel mundial, aunque es más difícil de calcular, es posible que la biomasa celulósica total pueda equivaler a entre 1 y 5 veces la producción mundial anual de petróleo de 2009 (unos 30.000 millones de barriles). Un enorme potencial.

Pero… Ha habido avances, sí, aunque faltan las técnicas definitivas. La materia prima es la celulosa. Que está hecha de glucosa, pero dispuesta de tal manera que forma una esqueleto molecular rígido, intrincado. Curioso que no podamos comer con provecho la celulosa, aunque esté hecha de lo mismo que el azúcar. Y es que en ella, las glucosas están ordenadas de forma diferente. Sí, sí, la celulosa es una molécula digna de conocer (te la cuento pronto, prometido).

Fuentes de biocombustibles de segunda generación

Fuente: http://tinyurl.com/yfd9qv3

Ya existía una vieja técnica, de principios del siglo XX. Que, además, se usó profusamente durate la Segunda Guerra Mundial por el ejército alemán para convertir carbón en petróleo, por las dificultades de suministro que tenían. Si se trata la celulosa a altas temperaturas, y se añade oxígeno, rinde un gas, llamado syngas, rico en CO, H2 y alquitranes. El cual puede convertirse en combustible líquido mediante un proceso denominado de Fischer-Tropsch. es un procedimiento bien conocido, pero resulta caro y consume mucha energía.

Otra posibilidad es calentar la celulosa a menos temperatura (300-600ºC) en un entorno libre de oxígeno. Eso rinde biopetróleo y un residuo sólido parecido al carbón. el biopetróleo no es como el petróleo geológico. Es mucho más ácido y menos calorífico. Tan ácido que dejaría inservibles los motores. Por tanto, habría que refinarlo. Por cierto, que este método también acepta residuos animales. De hecho, en una refinería ubicada en Texas se logran 45.000 litros diarios de diésel a partir de los residuos orgánicos de mataderos, y a buen precio.

Hay una variante de este método que somete a la celulosa a temperaturas de 500ºC durante un segundo. Eso la descompone en moléculas pequeñas, aún rícas en O. Elemento que abunda en la celulosa y que hay que quitar si se quiere producir combustible (hecho, sobre todo, de C y H). Eso se logra con catalizadores que producen gasolinas. El proceso dura unos 14 segundos pero aún está por desarrollar una planta prototipo.

Todos esos tratamientos han de mejorarse antes de volverse prácticos, comerciales. Deben romper la celulosa de modo barato, sin producir materiales tóxicos, con bajo consumo de energía, rindiendo concentraciones elevadas de azúcares fermentables y aptos para convertirlos en biocombustibles, y a costes competitivos con el petróleo. Y, por desgracia, aún no han cumplido esos requisitos. Todos y cada uno.

Sí hay una técnica que es prometedora (AFEX, la llaman). Cocer bajo presión la biomasa a 100ºC, con amoniaco. Cuando se reduce la presión el amoniaco se evapora y se retira, con lo que sólo queda la mezcla de azúcares, con un rendimiento del 90%. Y a partir de ella, se obtendrá el biodiesel.

En resumen, las técnicas están cerca de ser comerciales y hay que ir mirando los problemas desde ya. Principalmente el problema de la competencia entre biocombustibles y comida. Ante esa disyuntiva el mercado no sabe hacer las cosas bien, no es un buen tomador de decisiones. Porque el mercado sabe asignar recursos de modo eficiente para la producción, pero no para que un recurso llegue a todos. El mercado sabe establecer precios, pero el precio marca el límite entre los que tendrán el recurso y los que no.

Y la comida es imprescindible en un mundo de más de 6.000 millones de personas. Coger un coche no.