CONVIRTIENDO LAS PLANTAS EN CASAS DE ENERGÍA.

12 de Mayo de 2011.

Por: Diana Lutz.

¿Cuál es más eficiente en la captación de energía solar, las plantas o las celdas solares?

(PhysOrg.com) "Tengo una diapositiva que tiene una foto de un campo de maíz y un generador fotovoltaico grande", dice Robert Blankenship, un científico que estudia la fotosíntesis en la Universidad Washington en St. Louis. "Cuando doy charlas en las que a menudo se pregunta a la audiencia cual es más eficiente. Invariablemente, el público vota abrumadoramente en favor de la fotosíntesis". 

Se equivocan.

Esta pregunta y su respuesta sorprendente (abajo) es el punto de partida de un provocador artículo publicado el 13 de mayo en la revista Science. El artículo es el resultado de un taller del Departamento de Energía de comparar la eficiencia de las plantas y las celdas solares, un tema de Blankenship, miembro del Consejo del Departamento de Energía y de Ciencias Bioquímicas, sugirió.

"Hemos reunido un equipo de distinguidos biólogos, químicos, físicos y científicos del estado sólido y se reunieron en Albuquerque en mayo de 2009 para discutir todo lo que fuera", dice Blankenship, PhD, de la Lucille P. Markey, Profesor Distinguido de las Artes y las Ciencias de los departamentos de biología y química. "Resultó que sabiamos mucho, pero lo que sabíamos que existía en dos universos paralelos", dice.

"En el documento se intenta resolver la controversia de larga data sobre la eficiencia de la fotosíntesis", dice David M. Kramer, Ph.D., Profesor de Hannah de Bioquímica y Biología Molecular de la Universidad Estatal de Michigan y uno de los co-autores. "La eficiencia de la fotosíntesis, y nuestra capacidad para mejorarla, es tan crítica como si toda la industria de biocombustibles fuera viable."

¿Cuál es más eficiente?

La pregunta realmente no es justa a menos que la eficiencia sea definida primero. Como mínimo, no es justo comparar a las plantas que empaquetan la energía del sol en prácticos pequeños paquetes para almacenar el combustible (moléculas basadas en carbono) con la energía fotovoltaica que simplemente dar el primer paso de convertir la energía del sol a electrones con vida.

Más justo sería comparar a las plantas con paneles fotovoltaicos, que también almacenan energía en los enlaces químicos. Así que los expertos hicieron sus cálculos en un campo fotovoltaico conectado a un electrolizador que usa electricidad a partir de la matriz para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. La energía libre necesaria para separar el agua es esencialmente la misma que necesita una planta para formar hidratos de carbono, para que la comparación sea imparcial.

Si esos son los términos, la eficiencia anual promedio de la electrólisis fotovoltaica impulsada es de aproximadamente 10 por ciento. Las eficiencias de conversión de energía solar para las plantas de cultivo, por el contrario, normalmente estan cercanas a 1 por ciento, aunque los rendimientos de un 2 por ciento a 4 por ciento se han reportado para las plantas de cultivo, y para las microalgas cultivadas en biorreactores podría ser un poco mejor aún.

Pasando del teosinte al maíz.

El punto de comparación, Blankenship subraya, no es para hacernos tirar las plantas a la pila de compost. Por un lado, la eficiencia es sólo una consideración entre muchas en la elección entre las tecnologías energéticas. Más importante, sin duda, son los costos del ciclo de vida, el costo del capital y la valoración del impacto ambiental de un producto desde su creación hasta su destrucción.

Sin embargo la comparación pone fin a las telarañas de ideas erróneas y sirve como un acicate útil. Se llevó a los científicos en Albuquerque para preguntarles por qué las plantas son tan ineficientes y qué se puede hacer para mejorar su eficiencia.

La antena recolectora de luz en un cloroplasto consiste en pigmentos diferentes que une a las proteínas. Cuando un pigmento absorbe un fotón, la energía se transfiere de una molécula de un pigmento a la molécula de otro pigmento hasta que se llega a un centro de reacción.

"Es importante recordar que la evolución selecciona para el éxito reproductivo y el éxito reproductivo no está necesariamente directamente correlacionada con la eficiencia energética", dice Blankenship.

Él cita la analogía del teosinte, una hierba nativa de América Central que se cree que es el antepasado del maíz.

"Usted no puede alimentarse muy bien fuera de ese material", dice Blankenship. La espiga gigante y los granos jugosos son cosas que la gente le impuso al maíz para que sea adecuado a nuestras necesidades.

"Creo que el mismo tipo de cosas se seguirán con la bioenergía", dice. Hemos criado plantas para la producción de alimentos, no para el almacenamiento de energía, y las dos cosas no son lo mismo. "

Pero para dar forma a plantas para la producción de energía, los científicos tendrán que lidiar con lo que Blankenship llama la herencia bioquímica : una vez que los aspectos funcionales de la biología que ahora se ponen en el camino de la producción de energía eficiente.

Primer problema: la saturación de luz.

Blankenship cita dos ejemplos en el documento a modo de ilustrar el problema. La primera es la saturación de la luz.

Todos los organismos fotosintéticos naturales contienen los sistemas de antena de captación de luz en la que los pigmentos especializados (por lo general varios cientos de moléculas) recogen la energía y la transferencia a un centro de reacción donde la fotoquímica se lleva a cabo. 

La RuBisCO enzima fotosintética crucial a veces reacciona con el oxígeno en lugar del carbono, a continuación, pasa por un proceso largo, complicado y costoso de energía llamado fotorrespiración sólo para recuperar el carbono y llegar de nuevo a la línea de salida. Los científicos están tratando de arreglar el problema por el robo de ideas de las plantas C4. Las plantas C4 (derecha) evitan que la RuBisCO se una al oxígeno mediante la concentración de dióxido de carbono en células fotosínteticas especiales llamadas células de la vaina del haz. Las altas concentraciones de dióxido de carbono en estas células inhiben la unión del oxígeno, lo que permite a la RuBisCO trabajar más eficientemente. Crédito: Viten, un servicio del Centro Noruego para las Ciencias de la Educación.

Así con muchos pigmentos que absorben energía de la luz, la capacidad del aparato fotosintético para procesar la energía es rápidamente superado. En las hojas, a pleno sol, hasta un 80 por ciento de la energía absorbida debe ser objeto de dumping para evitar su desviación hacia las reacciones químicas tóxicas que pueden dañar o incluso matar a la planta.

"Así", dice Blankenship, "si nos fijamos en un gráfico de la intensidad de la luz frente a la producción de energía, el gráfico fotovoltaico es completamente lineal. Si pones el doble de luz, se obtiene más del doble de energía en orden de magnitud. Se Clasifica de impresionante de esa manera.

"El sistema fotosintético, por el contrario, comienza lineal y muy rápidamente se inclina y se satura. Lo que esto significa es la eficiencia de los cambios de las plantas durante el día. Empiezan con una eficiencia muy alta en la mañana, pero al mediodía, se saturan y se deshacen de la mayor parte de la energía."

¿Por qué las plantas muerden más de lo que puede masticar?

"Nos hemos preguntado nosotros mismos por muchas cuestiónes de tiempo", dice.

Puede ser que la planta no esté acaparando toda la luz, ya que la necesitan todas, sino porque evita que las plantas vecinas la usen y supere a la planta.

En cualquier caso, para hacer frente a la saturación de luz, algunos laboratorios están truncando las antenas. "Puedes bloquear la biosíntesis de algunos tipos de pigmentos o recortar los genes para una antena compleja en particular ", explica Blankenship.

"Algunos laboratorios dicen que hacen en realidad se consiga una mayor eficiencia y en otros casos que no se parezcan, por lo que esto es realmente un área de investigación abierta", dice.

La respuesta de la energía fotovoltaica a la intensidad del sol es lineal (línea roja, gráfico inferior). Cuanta más luz entra, más sale electricidad . Las plantas, por el contrario, son rápidamente desbordadas y comienzan a deshacerse del exceso de energía no tienen la capacidad de procesarla (línea azul claro, gráfico inferior). Como consecuencia, no pueden hacer uso de gran parte de la potencia del sol (arriba). Crédito: Blankenship / WUSTL.

Segundo problema: la Rubisco.

Después de las reacciones de la luz viene el ciclo de Calvin-Benson, donde el dióxido carbono extraído del aire se incorpora en los compuestos de carbono (azúcares), ya presentes en el cloroplasto.

Esta reacción se lleva a cabo por una enzima llamada RuBisCo (ribulosa bisfosfato carboxilasa-oxigenasa), dice que es la proteína más abundante en la Tierra.

Pero, como una enzima, La RuBisCO tiene un talón de Aquiles. Puede reaccionar con el oxígeno, así como con dióxido de carbono.

"En realidad es más reactiva al dióxido de carbono que al oxígeno, dice Blankenship, pero usted tiene 21 por ciento de oxígeno en la atmósfera y sólo cerca de 0.038 por ciento de dióxido de carbono," lo que en ese juego de números, el oxígeno a veces gana.

"Si La RuBisCO reacciona con dióxido de carbono, se añade otro carbono a un azúcar y todo está bien", dice Blankenship. "Si ella reacciona con el oxígeno, entonces pasa a través de un proceso largo, complicado y costoso de energía llamado fotorrespiración sólo para recuperar el carbono y se regresa de nuevo a la línea de salida."

La fotorrespiración (un proceso completamente diferente que la respiración, que es tan necesario para las plantas como lo es para la gente) es poco un misterio biológico, ya que parece tan contraproducente para la planta.

Puede que sólo sea equipaje evolutivo, dice Blankenship. "La RuBisCO parece funcionar bastante bien en un ambiente anaeróbico donde no hay oxígeno, y esto sugiere que es una reliquia de una época anterior, cuando en la atmósfera había poco oxígeno y más dióxido de carbono, y la incapacidad del sitio activo de la enzima para excluir el oxígeno puede no haber hecho ninguna diferencia. "

Una solución rápida es para alimentar a los gases de combustión de las centrales eléctricas de carbón en las granjas de algas. La concentración de dióxido de carbono en los gases de combustión es típicamente del 10 por ciento, lo suficientemente alta como para suprimir la fotorrespiración y ajustar el problema La RuBisCO.

Una solución más complicado es pedir prestado algo de química de un pequeño grupo de plantas que hacen las cosas de manera diferente. La mayoría de las plantas utilizan un proceso fotosintético conocido como C3 (porque el producto del proceso de fijación del dióxido de carbono es una molécula de tres carbonos), pero unos pocos, incluidos los pastos tropicales, el maíz y la caña de azúcar, utilizan una alternativa conocida como C4 (porque del carbono añadido produce un azúcar de cuatro carbonos).

Las plantas C4 usan una enzima que tiene un gran afinidad por el dióxido de carbono (en forma cargada de bicarbonato) y ninguna afinidad por el oxígeno para solucionar temporalmente el dióxido de carbono en un molécula de cuatro carbonos. Esta molécula libera dióxido de carbono a altas concentraciones cerca de La RuBisCO, reduciendo sustancialmente la fotorrespiración.

La mayoría de las plantas son las plantas C3, dice Blankenship. Pero la solución alternativa de las C4 está presente en muchos linajes de plantas. Parece que han evolucionado varias veces porque es muy beneficioso.

Los laboratorios también están tratando de poner la vía C4 en las plantas C3 para hacerlas más eficientes. "Están haciendo progresos al respecto ", dice Blankenship, "pero es una cosa complicada para tratar de hacer ".

Biología sintética.

Así, el grupo de expertos llegó a la conclusión, la eficiencia comparativamente baja de los resultados de la fotosíntesis natural, al menos en parte, desde "el legado bioquímico" de los organismos fotosintéticos heredado de los organismos anteriormente no fotosintéticos.

Algunos de los factores que limitan la eficiencia de los sistemas fotosintéticos naturales son intrínsecos a la estructura básica y a la organización del aparato fotosintético y requeriría una reestructuración fundamental para mejorar.

Los expertos, sin embargo son optimistas. Como muestra el ejemplo del teosinte, las plantas se modificaron casi irreconociblemente, cuando la gente ha cambiado los criterios de selección desde el éxito reproductivo de la planta para la producción de alimentos para la gente. Transformaciones similares podrían tener lugar si la gente empieza a seleccionar las plantas para la producción de energía máxima y el almacenamiento.

Tampoco podemos limitarnos, como en el caso del teosinte, a la lentitud y ceguera del proceso, de manipulación del genoma de una planta mediante la selección de las mejores plantas de aspecto maduro para cruzar.

La ingeniería genética y las técnicas más agresivas de la biología sintética - el matrimonio de la biología y la ingeniería para diseñar y construir sistemas y las vías metabólicas que no se encuentran en la naturaleza - debe acelerar las cosas considerablemente.

Los expertos sugirieron, por ejemplo, en sustitución de uno de los dos fotosistemas en las plantas que se encargan de las reacciones dependientes de la luz por un fotosistema de una especie de bacterias fotosintética. Los fotosistemas en la mayoría de las plantas compiten por la misma parte del espectro solar, reduciendo la eficiencia energética en casi la mitad, pero algunas bacterias absorben la luz de una parte totalmente diferente del espectro.

"Sería el equivalente biológico de una celda fotovoltaica en tándem", dice Blankenship con entusiasmo, "y los que puedan tener eficiencias muy alta."

"Hemos identificado muchas de las ineficiencias importantes que surgen del diseño básico de la fotosíntesis, y han sugerido maneras de reestructurar la fotosíntesis para mejorar su capacidad para cumplir con las necesidades de energía de los humanos", dice Thomas A. Moore, PhD, profesor en el departamento de química y bioquímica en la Universidad Estatal de Arizona y otro de los co-autores. "Estas mejoras a la fotosíntesis van más allá de los pasos adicionales practicados desde que la agricultura comenzó hace miles de años."

RESUMEN.
La comparación de eficiencias fotosintética y fotovoltaica no es una cuestión simple. Aunque los dos procesos de recolección de la energía en la luz del sol, que operan de diferente manera y producen distintos tipos de productos: combustibles de biomasa o químicos en el caso de la fotosíntesis natural y no almacenan corriente eléctrica en el caso de la fotovoltaica. Con el fin de encontrar un terreno común para evaluar la eficiencia de conversión de energía, se compara la fotosíntesis natural con las tecnologías actuales para la electrólisis fotovoltaica impulsada de agua para producir hidrógeno. La electrólisis fotovoltaica impulsada es el proceso más eficiente cuando se mide sobre una base anual, sin embargo, los rendimientos de corto plazo para la conversión fotosintética en condiciones óptimas están comprendidas en un factor de 2 o 3 de la referencia fotovoltaica. Consideramos que las oportunidades en que las fronteras de la biología sintética podría ser utilizada para mejorar la fotosíntesis natural para mejorar la eficiencia de conversión de energía solar.

Proporcionado por la Universidad de Washington en St. Louis.

Fuente: Physorg.com; U. de Washington, Saint Louis.