Publicado: 
18 de mayo de 2004

Reutilizando Desperdicios


Con fondos de NASA, investigadores están desarrollando un tipo de celda de combustible que puede extraer electricidad de los desperdicios humanos.

NASA

Mayo 18, 2004: De acuerdo a un cálculo, en un viaje de dos años a Marte, una tripulación de seis personas generaría más de seis toneladas de desperdicios orgánicos sólidos -- heces en su mayoría. ¿Qué se hace con todo esto?

Por ahora, los desperdicios de los astronautas son regresados a la Tierra. En las exploraciones de larga duración, sin embargo, sería preferible reciclarlos, en razón de que podrían ser fuentes potenciales de recursos que los astronautas necesitarían. Les proveerían de agua potable. Les proveerían de fertilizante. Y con la ayuda de un microbio descubierto recientemente, también ayudarían a proveer electricidad.

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Como muchas otras bacterias, esta, que es miembro de la familia de los Geobacteraceae, puede descomponer y se alimenta de materia orgánica. Los microbios Geobacter fueron descubiertos en el lodo del Río Potomac en 1987; les gusta vivir en lugares donde no hay oxígeno pero sí mucho hierro. También poseen la inusitada habilidad de mover electrones en el metal. Esto significa que bajo las condiciones adecuadas, los microbios Geobacter pueden procesar desperdicios como también generar electricidad.

Derecha: Una microfotografía del Geobacter metallidreducens. [Más información]

Las "condiciones adecuadas" se podrían encontrar en un nuevo tipo de celda de combustible -- una celda de combustible de membrana microbiana. Este dispositivo está siendo desarrollado actualmente por un equipo de investigadores que trabajan con fondos de la NASA y son dirigidos por el Dr. Bruce Rittmann, profesor de la Universidad de Northwestern.

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Todas las celdas de combustible pueden generar electricidad al producir y controlar el flujo de electrones. Las celdas convencionales, incluídas aquellas que se usan a bordo del Transbordador Espacial y en algunos automóviles experimentales, obtienen los electrones necesarios para su flujo de electricidad extrayéndolos de átomos de hidrógeno. Para lograr esto, las celdas de combustible deben recibir un flujo constante de hidrógeno.

Las celda de combustible microbianas, en cambio, obtienen los electrones de los desperdicios orgánicos. Las bacterias, como centro del dispositivo, se alimentan de los desperdicios, y como parte de sus procesos digestivos, extraen electrones del material. Los microbios Geobacter y otras clases de microorganismos, pueden ser manipulados para que lleven estos electrones directamente a un electrodo de la celda de combustible, el cual los conduce en forma de electricidad a un circuito -- un alambre, por ejemplo. Al fluir en el circuito, generan electricidad.

Las celdas microbianas de combustible ya se utilizan en algunos experimentos aquí en la Tierra. Por ejemplo, un prototipo está siendo usado en la Universidad Estatal de Pennsylvania para generar electricidad conforme purifica agua de drenaje doméstico.

Para obtener algun provecho de esta idea en los viajes espaciales, dice Rittmann, usted debe tener "una configuración muy compacta y muy eficiente". La celda de combustible no puede ocupar mucho espacio. Para cumplir con este requisito, Rittmann está considerando un modelo de celda hecha de fibras densamente empaquetadas, cada una de ellas una celda de combustible por sí misma.

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Izquierda: En una celda de combustible convencional, como la que aquí se muestra, los electrones extraídos del hidrógeno fluyen a través de un circuito y hacen trabajo -- encendiendo una bombilla, por ejemplo. En una celda microbiana de combustible, los electrones se obtienen de los desperdicios humanos. Crédito de la imagen: Fuel Cell Today.

Cada celda consistirá de tres capas, como tres pajillas, una dentro de la otra. Cada capa corresponde a una de las capas de una celda de combustible: el ánodo (capa externa), la membrana electrolítica (capa intermedia) y el cátodo (capa interna). Una corriente de desperdicio líquido sería bombeada hacia el interior de la celda, donde los microbios Geobacter (u otra bacteria similar) podrían atrapar los electrones y moverlos hacia el ánodo, dentro del circuito, y de ahí hacia el cátodo.

Antes de que estos diseños puedan ser puestos en práctica, sin embargo, Rittmann y su equipo deben primero descubrir el mecanismo exacto por el cual las bacterias transfieren los electrones hacia el electrodo. En las pruebas de laboratorio, hasta ahora, el ritmo de transferencia es demasiado lento. "Necesitamos aprender cómo hacerlo más rápido", dice Rittmann, "y de este modo hacer que la celda genere más energía".

Rittmann tiene un par de ideas de cómo solucionar el problema. "El electrón debe ser transferido de la superficie externa del microbio hacia el electrodo, y podría ser que estemos limitados por el contacto físico". Aun cuando la bacteria vive agarrada de la superficie del ánodo, solamente una parte muy pequeña de cada microbio toca realmente al metal, y esto podría estar afectando el movimiento de los electrones.

Otro factor es el voltaje del electrodo. Este tiene que ser lo suficientemente alto como para convencer a los microbios de que suelten sus electrones. "Los microbios mueven a los electrones para ganar energía. De hecho, ellos sólo mueven los electrones cuando ganan energía", explica. ¿Cuál es el mejor voltaje? "Esa es una de las preguntas que queremos contestar".

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Derecha: Bruce E. Rittmann es el profesor de la cátedra John Evans de Ingeniería Ambiental en la Universidad de Northwestern. [Más información]

"Supongamos, por ejemplo, que la diferencia de voltaje entre la celda y el ánodo es de 2 voltios. Los microorganismos, al soltar sus electrones, podrían usar 0,5 voltios para su propio sustento, dejando 1,5 voltios para operación del circuito. Estos son sólo cálculos hipotéticos", dice Rittmann, "pero dan una idea de lo que debemos investigar".

La celda de combustible de membrana microbiana está todavía en las primeras etapas de desarrollo. Pero si el proyecto tiene éxito, podríamos muy pronto encontrar estas celdas no sólo en el espacio, sino también en nuestros propios hogares. Después de todo, los astronautas no son los únicos que producen desperdicios orgánicos.

"De todas maneras, los desperdicios deben de ser tratados", hace notar Rittmann. "De modo que, ¿porqué no hacer que este proceso nos permita ganar energía, en vez de perderla? Al producir electricidad, las celdas microbianas de combustible harían el proceso de purificación de corrientes de desperdicio mucho más económico".

¿Desperdicios? tal vez no...

Más Información (en inglés y español)

La Oficina de Investigaciones Físicas y Biológicas (Office of Physical and Biological Research) de la NASA otorga fondos para la investigación básica y aplicada para beneficio de los seres humanos en la Tierra y en el Espacio.

Bacterias que respiran herrumbre: ¿microbios milagrosos? -- (National Geographic) Las bacterias de la familia Geobacter limpian el agua subterránea contaminada, generan electricidad, y podrían poseer algunas pistas sobre los orígenes de la vida.

El proyecto Geobacter -- (UMass, Amherst) portal.

Bruce E. Rittmann es el profesor de la cátedra John Evans de Ingeniería Ambiental en la Universidad de Northwestern.

Celdas de Combustible de Baja Temperatura --(Ciencia@NASA) Las celdas de combustible prometen ser la fuente de energía limpia del futuro, pero algunos tipos funcionan a temperaturas demasiado altas para resultar prácticas. Una investigación financiada por la NASA podría tener la solución.

Cómo funcionan las celdas de combustible -- (HowStuffWorks.com).

Manejo de desperdicios sólidos en el espacio -- (JSC) Una lista parcial de proyectos financiados por la NASA para el manejo de desperdicios sólidos desarrollados para misiones de corta y larga duración en el espacio.

Modelo de los desperdicios sólidos en las misiones a Marte -- (JSC).

El agua en la estación espacial -- (Science@NASA) El racionamiento y reciclaje son parte esencial de la vida en la Estación Espacial Internacional. En este artículo, Science@NASA explora el origen del agua para las futuras tripulaciones y cómo la pueden (re)utilizar.


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