La generación de electricidad a partir del aire puede sonar a ciencia ficción, pero una nueva tecnología basada en bacterias que brotan nanocables hace exactamente eso, siempre que haya humedad en el aire.
Los científicos de la Universidad de Massachusetts Amherst han desarrollado un dispositivo que utiliza una proteína natural para generar electricidad a partir de la humedad del aire, una nueva tecnología que, según dicen, podría tener implicaciones significativas para el futuro de las energías renovables, el cambio climático y el futuro de la medicina.
Como se informó en Nature, los laboratorios del ingeniero eléctrico Jun Yao y el microbiólogo Derek Lovley en UMass Amherst han creado un dispositivo que llaman un generador “Air-gen” o generador de aire, con nanocables de proteínas conductores de electricidad producidos por el microbio Geobacter. El Air-gen conecta electrodos a los nanocables de proteínas de tal manera que se genera corriente eléctrica a partir del vapor de agua presente de forma natural en la atmósfera.
“Estamos literalmente produciendo electricidad de la nada”, dice Yao. “El Air-gen genera energía limpia 24/7”. Lovely, quien ha avanzado en materiales electrónicos basados en biología sostenible durante tres décadas, agrega: “Es la aplicación más sorprendente y emocionante de nanocables de proteínas hasta ahora”.
La nueva tecnología desarrollada en el laboratorio de Yao es no contaminante, renovable y de bajo costo. Puede generar energía incluso en áreas con humedad extremadamente baja, como el desierto del Sahara. Tiene ventajas significativas sobre otras formas de energía renovable, incluida la solar y la eólica, dice Lovley, porque a diferencia de estas otras fuentes de energía renovable, el Air-gen no requiere luz solar o viento, e “incluso funciona en interiores”.
Los investigadores explican que el dispositivo Air-gen solo requiere una película delgada de nanocables de proteínas de menos de 10 micras de espesor. La parte inferior de la película descansa sobre un electrodo, mientras que un electrodo más pequeño que cubre solo una parte de la película de nanocables se encuentra en la parte superior.
La película absorbe el vapor de agua de la atmósfera. Una combinación de la conductividad eléctrica y la química de la superficie de los nanocables de proteínas, junto con los poros finos entre los nanocables dentro de la película, establece las condiciones que generan una corriente eléctrica entre los dos electrodos.
El uso de vapor de agua es “una tecnología revolucionaria para obtener energía renovable, verde y barata directamente de la humedad atmosférica”, dice Qu Liangti, científico de materiales de la Universidad de Tsinghua.
Los investigadores dicen que la generación actual de dispositivos Air-gen puede alimentar pequeños dispositivos electrónicos y esperan llevar la invención a escala comercial pronto.
Los próximos pasos que planean incluyen el desarrollo de un pequeño “parche” Air-gen que pueda alimentar dispositivos portátiles electrónicos como monitores de salud y estado físico y relojes inteligentes, lo que eliminaría el requisito de baterías tradicionales. También esperan desarrollar Air-gens para aplicar a los teléfonos celulares para eliminar la carga periódica.
Yao dice: “El objetivo final es crear sistemas a gran escala. Por ejemplo, la tecnología podría incorporarse en la pintura de la pared que podría ayudar a alimentar su hogar. O, podríamos desarrollar generadores autónomos alimentados por aire que suministren electricidad de la red.
Una vez que lleguemos a una escala industrial para la producción de alambre, espero que podamos hacer grandes sistemas que contribuyan de manera importante a la producción de energía sostenible”.
Continuando con el avance de las capacidades biológicas prácticas de Geobacter, el laboratorio de Lovley desarrolló recientemente una nueva cepa microbiana para producir nanocables de proteínas de forma más rápida y económica. “Convertimos E. coli en una fábrica de nanocables de proteínas”, dice. “Con este nuevo proceso escalable, el suministro de nanocables de proteínas ya no será un cuello de botella para desarrollar estas aplicaciones”.
El descubrimiento de Air-gen refleja una colaboración interdisciplinaria inusual, dicen. Lovley descubrió el microbio Geobacter en el lodo del río Potomac hace más de 30 años. Más tarde, su laboratorio descubrió su capacidad para producir nanocables de proteínas conductores de electricidad.
Antes de venir a UMass Amherst, Yao había trabajado durante años en la Universidad de Harvard, donde diseñó dispositivos electrónicos con nanocables de silicio. Se unieron para ver si podían fabricarse dispositivos electrónicos útiles con los nanocables de proteínas cosechados de Geobacter.
Xiaomeng Liu, Ph.D. estudiante en el laboratorio de Yao, estaba desarrollando dispositivos sensores cuando notó algo inesperado. Él recuerda: “Vi que cuando los nanocables se ponían en contacto con los electrodos de una manera específica, los dispositivos generaban una corriente. Descubrí que la exposición a la humedad atmosférica era esencial y que los nanocables de proteínas adsorbían agua, produciendo un gradiente de voltaje en el dispositivo”.
De Beer también tiene reservas: “Este documento me preocupaba un poco”, dice. Air-gen parece proporcionar una fuente de energía infinita, pero no ve cómo, porque no hay una fuente clara de electrones.
Además del Air-gen, el laboratorio de Yao ha desarrollado varias otras aplicaciones con los nanocables de proteínas. “Este es solo el comienzo de una nueva era de dispositivos electrónicos basados en proteínas”, dijo Yao.
Mayor información: Xiaomeng Liu, Hongyan Gao, Joy E. Ward, Xiaorong Liu, et al. «Power generation from ambient humidity using protein nanowires». Nature, Published: 17 February 2020.