31.08.2020 - Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt)

Los biocombustibles y los ciclos de materiales sofisticados gracias a la bioplantación

Minicentrales eléctricas de algas verde-azuladas recubiertas

Las algas verde-azuladas están entre las criaturas vivas más antiguas de la Tierra y han perfeccionado el uso de la luz solar durante miles de millones de años. Los científicos de Empa han equipado a estos humildes organismos unicelulares con revestimientos semiconductores para crear minicentrales eléctricas, que suministran biocombustibles y son fotocatalíticamente activas con la luz solar. Y lo que es mejor: Las reacciones químicas son circulares, forman un sofisticado ciclo de materias primas.

Ya estaban dando vueltas en la "sopa primordial" de nuestro planeta hace más de dos mil millones de años y han estado ayudando a enriquecer la atmósfera de la Tierra con oxígeno desde entonces. Hoy en día, las algas verde-azuladas o - más científicamente - las cianobacterias son prácticamente omnipresentes: en las aguas, en la corteza de los árboles o en las cimas de las montañas estériles. Han perfeccionado el uso eficiente de la luz solar para la fotosíntesis hasta tal punto que pueden sobrevivir incluso en cuevas sombrías. Los investigadores del Empa, dirigidos por Laetita Philippe del laboratorio "Mecánica de Materiales y Nanoestructuras" en Thun, han utilizado ahora la tecnología de bioplantación para recubrir las poco exigentes algas verde-azuladas del género Spirulina de tal manera que puedan ser utilizadas para producir biocombustibles y exhibir un efecto fotocatalítico.

Arquitectura perfecta

Para lograr un proceso altamente eficiente y al mismo tiempo sostenible, los investigadores utilizaron el método de bioplantación, en el que una arquitectura dada por la naturaleza sirve de plantilla para aplicar novedosos recubrimientos superficiales. El alga verde-azul Spirulina, cuya forma recuerda a la bobina de un diminuto calentador de inmersión, era especialmente adecuada para ello, ya que su compacta estructura en espiral contribuye a su uso altamente eficiente de la luz solar.

Los investigadores primero recubrieron los cordones espirales de aproximadamente cuatro micrómetros de grosor de los organismos unicelulares de Spirulina preservados con una fina capa de níquel. Como la piel de una cebolla, le siguieron delicadas capas de nanopartículas de óxido de zinc y sulfuro de zinc. "Mientras que las algas verde-azuladas en forma de espiral actúan como un andamio estructurante, la capa de níquel, al ser magnética, proporciona una excelente forma de recuperar las minúsculas centrales eléctricas", dice Laetitia Philippe. El subsiguiente recubrimiento que contiene zinc tiene una impresionante actividad fotocatalítica. Esto se debe a que la combinación de dos compuestos de zinc conduce a un prolongado rendimiento de la reacción fotocatalítica.

Además, se puede utilizar un rango de longitudes de onda más amplio del espectro solar. "Con sólo el óxido de zinc, sólo podríamos utilizar la radiación UV del sol, por ejemplo para la descomposición de contaminantes ambientales Con la actividad fotocatalítica de las algas recubiertas, debería ser posible desarrollar un proceso sostenible, simple y barato para el tratamiento del agua", añade Philippe. Desde 2015, la disponibilidad y la gestión sostenible del agua para todos forma parte del Programa de Sostenibilidad Mundial de las Naciones Unidas (ONU). En línea con este objetivo, el equipo de Empa buscó una tecnología que pudiera producir agua limpia en todo el mundo sobre la base de las plantas de purificación existentes. El objetivo principal era eliminar del agua los microplásticos y los contaminantes orgánicos persistentes (COP), que los sistemas de tratamiento convencionales no eliminan. Así pues, los investigadores desarrollaron un proceso basado en la fotocatálisis utilizando óxido de zinc y sulfuro de zinc, una reacción química que oxida y neutraliza los contaminantes cuando se exponen a la luz. La combinación con las nanopartículas de sulfuro de zinc permite incluso aprovechar no sólo la radiación UV como fuente de energía sino también la parte visible del espectro electromagnético.

Un nanofernito ramificado

Los investigadores desarrollaron inicialmente el nuevo recubrimiento fotocatalítico sobre la base de otras estructuras que recuerdan a los bosques microscópicos de plantas de helechos. "La arquitectura del helecho es otra forma de absorber la energía de la luz de la manera más eficiente posible", explica Serrá. En los experimentos de laboratorio con micro y nanofernias producidas artificialmente y hechas de varios compuestos químicos, la estructura de la capa de cebolla de óxido de zinc, sulfuro de zinc y níquel demostró ser particularmente eficiente. Además, el proceso de bioplantación de las algas verde-azuladas tenía por objeto evitar el sombreado causado por las ramas individuales dentro de los microfernos, aumentando así adicionalmente la absorción de la luz.

Otra ventaja: Las algas verde-azuladas se multiplican virtualmente por sí mismas. Con sólo agua, luz solar y fertilizante, los organismos unicelulares crecen en grandes cantidades a un ritmo rápido. Y no sólo consumen dióxido de carbono (CO2) del medio ambiente y emiten oxígeno valioso como "gas de desecho" - el balance de CO2 del método puede mejorarse aún más añadiendo CO2 adicional al cultivo de algas.

Sofisticado ciclo de las materias primas

Sin embargo, una vez que los diminutos calentadores de inmersión han sido puestos en funcionamiento y los contaminantes descompuestos en las aguas residuales, su tarea está lejos de haber terminado. Mientras que los compuestos de zinc y níquel pueden ser recuperados y reutilizados, las estructuras de espirulina preservadas permanecen como minicentrales eléctricas. "Se pueden producir biocombustibles a partir de la biomasa", dice Laetitia Philippe. Además de producir bioetanol y biodiésel, los restos de espirulina también pueden procesarse y quemarse como pellets para la producción de energía. Y las cenizas pueden ser utilizadas eventualmente como fertilizante para el cultivo de nuevas algas verde-azuladas. El sofisticado ciclo de las materias primas se ha demostrado ahora en experimentos de laboratorio. Pero Laetitia Philippe confía en que los versátiles organismos unicelulares puedan aplicarse a mayor escala.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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