Próxima generación: celda de combustible itsy bitsy

Cuatro celdas de combustible microbianas, colocadas una al lado de la otra CORTESÍA DE KELVIN GREGORY, UNIVERSIDAD CARNEGIE MELLON

EL DISPOSITIVO: Este diminuto combustible biológico La celda, la más pequeña de su tipo con un volumen total de solo 0,3 microlitros, se construyó utilizando microfluidos y se basa en bacterias para producir energía. Las bacterias colonizan el ánodo, el extremo cargado negativamente del sistema, y a través de su metabolismo natural producen electrones que fluyen hacia el cátodo, creando un circuito. Juntos, el ánodo y el cátodo tienen solo unos cabellos humanos de ancho, pero el diminuto circuito genera un flujo constante de electricidad.

NOVEDADES: En 2008, los investigadores en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign creó una celda de combustible impulsada por hidrógeno de 3 milímetros cuadrados, aclamada como la celda de combustible más pequeña del mundo en ese momento. Al año siguiente, un equipo de la Universidad de California, Santa Bárbara, produjo una celda de combustible microbiana con un volumen de 1,5 microlitros…

Cátodo y ánodo Cortesía de Kelvin Gregory, Universidad Carnegie Mellon

El nuevo La celda de combustible también adopta un enfoque diferente para la separación de los dos fluidos en la celda, uno en el cátodo y el otro en el ánodo. La mayoría de las celdas de combustible microbianas se basan en una membrana semipermeable para evitar que los líquidos se mezclen y al mismo tiempo permitir que los protones viajen de un lado al otro. «Ese es un gran problema para las celdas de combustible microbianas», dijo Leonard Tender, investigador de celdas de combustible en el Laboratorio de Investigación Naval en Washington, DC, que no participó en la investigación, ya que la ingeniería de membranas diminutas y sellos en celdas de combustible cada vez más pequeñas ha sido un reto. En esta nueva celda, los investigadores resuelven ese problema simplemente eliminando la membrana por completo y confiando en los canales de microfluidos para mantener separados los dos líquidos, como dos ríos que fluyen uno al lado del otro que no se mezclan porque uno fluye a un ritmo diferente al del otro. otro. «Es una celda de combustible microbiana de un solo compartimento que no tiene membrana, pero que puede funcionar con una eficiencia supuestamente buena», dijo Tender. «Es un primer paso muy interesante».

Fabricación de canales de microfluidos Cortesía de Kelvin Gregory, Universidad Carnegie Mellon

Además, debido a que los microfluidos se pueden producir fácilmente en masa, esta pequeña tecnología es escalable, barata y fácil de construir. dijo el autor principal Kelvin Gregory, ingeniero ambiental de la Universidad Carnegie Mellon en Pensilvania. «Una vez que tuvimos los microfluidos en la mano, el ensamblaje se volvió bastante simple de hacer».

IMPORTANCIA: Las celdas de combustible tienen numerosas ventajas sobre las baterías químicas como fuentes de energía. Además de ser más baratos y duraderos, están hechos de componentes naturales y, por lo tanto, no corren el riesgo de filtrar productos químicos tóxicos al medio ambiente. Las celdas de combustible microbianas, en particular, que dependen de la generación de energía a partir de sistemas biológicos, también sirven como una fuente de energía renovable, ya que pueden consumir combustibles renovables como la materia orgánica de desecho. Estos beneficios hacen que estas celdas sean alternativas atractivas para alimentar dispositivos desplegados de forma remota que necesitan autoalimentarse durante largos períodos de tiempo, como sensores submarinos o incluso algún día implantes o sensores médicos, dicen los expertos.

Crecimiento de bacterias en el ánodo Cortesía de Kelvin Gregory, Universidad Carnegie Mellon

«El valor es que puede tener suministros de energía muy pequeños que funcionan con combustibles biológicos», dijo Tender.

NECESITA MEJORAR: para ahora, sin embargo, las celdas de combustible microbianas producen solo cantidades muy pequeñas de electricidad: hasta 127 amperios por metro cúbico, aproximadamente 7,000 veces menos que una batería AA, dijo Gregory. En este nivel, una sola célula microbiana microfluídica podría alimentarse a sí misma como un sensor remoto, pero para aplicaciones más grandes, sería necesario apilar muchas células para aumentar la potencia de salida. Afortunadamente, la multiplexación es una característica común de la microfluídica, dijo Philip LeDuc, coautor del artículo e ingeniero mecánico en Carnegie Mellon. «Es como los chips de computadora: puedes poner una tonelada de estas cosas en paralelo».

Los investigadores también pueden mejorar la eficiencia de las células ajustando su estructura. Si bien el enfoque de microfluidos sin membrana tiene éxito en la prevención de la mezcla entre los dos lados, también puede dificultar que los protones se muevan del ánodo al cátodo, lo que puede estar contribuyendo a la baja potencia de salida del dispositivo, dijo Tender. . «Si eso pudiera solucionarse, sería un gran avance».

Z. Li, et al., Generación de electricidad microbiana a través del control de flujo microfluídico, Biotechnol Bioeng., doi: 10.1002/bit.23156, 2011.

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