Las algas ocupan un lugar singular entre los organismos que la ciencia viene explorando como plataformas productivas. Convierten luz solar y dióxido de carbono en biomasa con una eficiencia que supera a la de la mayoría de los cultivos terrestres. A partir de esa biomasa se obtienen combustibles renovables, plásticos biodegradables, pigmentos, suplementos nutricionales y principios activos farmacéuticos. Son, en esencia, fábricas vivas alimentadas por fotosíntesis.
Pero esa capacidad arrastra un cuello de botella que lleva décadas sin resolverse. En cualquier sistema de cultivo de algas, ya sea un estanque abierto o en un fotobiorreactor cerrado, las células que flotan cerca de la superficie absorben la mayor parte de la radiación disponible. Las que quedan más abajo reciben demasiado poca para fotosintetizar con eficiencia. El resultado es un sistema que subutiliza su propio volumen: la capa superior se satura de luz mientras el interior permanece en penumbra.
Para compensar esa desigualdad, la industria recurrió durante años a sistemas de iluminación artificial con LEDs de alta potencia. Funcionan, pero consumen cantidades significativas de electricidad, encarecen la operación y reducen el balance energético y de captura de carbono del proceso.
Redistribuir en vez de agregar
Un equipo de la Universidad Estatal de Michigan (MSU) acaba de proponer una solución que invierte esa lógica. En lugar de sumar luz artificial, diseñaron un sistema que redistribuye la luz solar ya disponible. La tecnología, publicada en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), consiste en fibras ópticas flexibles fabricadas con hidrogel e impregnadas con nanopartículas de sílice. Cada fibra mide aproximadamente 2,5 milímetros de diámetro, similar al de un sorbete fino, y se inserta dentro del medio de cultivo.
Cómo funcionan las fibras de hidrogel
Las fibras ópticas convencionales guían luz de un extremo a otro mediante reflexión interna total. La luz entra por un punto y sale por el otro con pérdida mínima, como una especie de túnel. Es el principio que usan las telecomunicaciones, la medicina (endoscopios) y la iluminación técnica. Las fibras de MSU hacen lo contrario. En lugar de encerrar la luz, estas fibras la dejan escapar de forma controlada a lo largo de toda su extensión.
Las nanopartículas de sílice actúan como centros de dispersión: desvían los fotones hacia el interior del cultivo y generan una iluminación más uniforme en todo el volumen. Las algas que antes quedaban a oscuras reciben así la energía que necesitan para fotosintetizar.
«La fotosíntesis es increíblemente poderosa, pero una de sus mayores limitaciones es que la luz no se distribuye de manera uniforme», explicó Yijie Cheng, estudiante de doctorado en la Facultad de Ingeniería de MSU y autor principal del trabajo. «Algunos organismos reciben demasiada y otros, demasiado poca. Nuestra tecnología ayuda a llevar la luz donde se la necesita.»
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Seis veces más biomasa, cero electricidad adicional
En las pruebas al aire libre, bajo luz solar natural, el sistema multiplicó la productividad de biomasa hasta seis veces respecto de cultivos convencionales sin fibras. Todo sin consumir un solo kilowat-hora de electricidad adicional. Las fibras captan la luz que llega del sol, la conducen hacia el interior del cultivo y la dejan salir de forma controlada. No necesitan enchufarse a nada.
«Este trabajo demuestra que no necesariamente precisamos más luz ni más electricidad para aumentar la productividad», señaló Xinyue Liu, profesora del Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de MSU y coautora del estudio. «Simplemente necesitamos usar de manera más eficaz la luz solar que ya tenemos.»
El costo energético de la iluminación artificial es uno de los factores que más ha frenado el cultivo de algas a gran escala. Si un sistema pasivo logra reemplazar esa necesidad con luz solar redistribuida, la estructura de costos del proceso cambia por completo.
Luz pasiva más allá de las algas
El equipo de MSU cree que el mismo principio podría ayudar a superar las limitaciones de penetración de la luz en otros sistemas biológicos y químicos impulsados por energía solar.
“La naturaleza ya nos proporciona una fuente abundante de energía solar”, dijo Cheng. “Nuestro objetivo es utilizarla de forma más eficiente, llevando la luz solar allí donde más se necesita”.
