Celdas de combustible fúngicas creadas con ayuda de la impresión 3D

Las baterías son la fuerza motriz detrás de nuestro presente y futuro tecnológicamente avanzados. Después de todo, alimentan todo, desde nuestros controles remotos, cámaras, teléfonos, portátiles y vehículos eléctricos hasta equipos, robótica y almacenamiento de energía.

A la luz de los diversos casos de uso de las baterías, su tamaño de mercado ha crecido hasta valer $134.62 billion in 2024 y se proyecta que se expanda aún más a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 16.4% para 2030.

Con la demanda de baterías creciendo de manera constante, ahora el enfoque está en mejorar la tecnología para ofrecer mayor densidad de energía, mejor seguridad, mayor vida útil y tiempo de carga reducido.

Además de mejorar el rendimiento de las baterías, ahora también hay un mayor enfoque en reducir su impacto ambiental. Esto se debe al creciente desecho electrónico, que se estima alcanzará 74.7 Mt al final de esta década debido a la eliminación de dispositivos electrónicos con componentes que no se degradan fácilmente o no son fácilmente reciclables.

Al mismo tiempo, los materiales no renovables se están agotando rápidamente, creando una necesidad urgente de nuevas fuentes de energía sostenibles que puedan procesarse eficientemente y tengan un impacto mínimo en el medio ambiente. 

Para satisfacer la rápida necesidad de desarrollar electrónica verde que utilice materiales no tóxicos, más respetuosos con el medio ambiente y renovables en sus componentes, investigadores de Empa han creado una batería fúngica biodegradable que, en lugar de cargarse, necesita alimentación. Esta batería viva, que se imprime en 3D, podría suministrar energía a sensores utilizados en agricultura o investigación en regiones remotas. Una vez que esta batería fúngica ha cumplido su función, se digiere a sí misma desde el interior.

Estas bio-baterías o celdas de combustible microbianas (MFC) utilizan el metabolismo redox de los microorganismos para generar energía. 

Los microorganismos utilizados en este tipo de celdas de combustible metabolizan materia orgánica como aguas residuales o azúcares y, en ausencia de dicha materia, utilizan energía lumínica y fotosíntesis. Una MFC consta de un ánodo y un cátodo, y pueden estar separados por una membrana de intercambio protónico (PEM) o quedar abiertos en un dispositivo de un solo compartimento. 

Además de los dispositivos de detección remota y monitoreo ambiental, las MFC son de interés para aplicaciones como electrónica portátil y dispositivos de diagnóstico biomédico. Son particularmente beneficiosas en aplicaciones autónomas que no requieren acceso a la red eléctrica principal.

Bacterianas, algales y arqueales son algunos tipos de MFC. En cuanto a las MFC fúngicas, se han estudiado aquellas con levaduras y hongos de pudrido blanco, pero no se habían combinado hasta ahora.

Fungi: A Growing Area of Interest

El enfoque de este proyecto de investigación de tres años son los hongos, que son organismos eucariotas, lo que significa que sus células tienen orgánulos delimitados por membranas y núcleos claramente definidos. Los hongos no pertenecen al reino vegetal y se distinguen de todos los demás organismos vivos.

Los hongos son los hongos más fácilmente reconocidos. Otros tipos incluyen levaduras, royas, mohos y mohos. Los hongos están en todas partes: en el suelo, el aire, lagos, mares, plantas, animales, alimentos y el cuerpo humano. Junto con las bacterias, ayudan a descomponer la materia orgánica y liberan oxígeno, carbono, fósforo y nitrógeno al suelo y a la atmósfera. 

En nuestra vida cotidiana, se utilizan comúnmente para elaborar pan, vino, cerveza y ciertos quesos, así como alimentos ricos en proteínas. Los hongos también aportan contribuciones importantes al manejo de enfermedades, pero al mismo tiempo son responsables de patógenos causantes de enfermedades.

Los estudios de los hongos nos han ayudado a obtener conocimientos fundamentales de biología y continúan siendo un área de interés para estudiar biología celular y molecular, ingeniería genética y otras disciplinas básicas de la biología.

En el campo médico, los hongos mágicos son de particular interés debido a que contienen psilocibina, un alcaloide psicoactivo de origen natural que tiene efectos alucinógenos. Como compartimos en nuestro artículo reciente, una explosión de investigación está explorando el uso de la psilocibina para tratar trastornos mentales y psicológicos.

La capacidad de los hongos para transformar materiales orgánicos en productos útiles también ha generado mucho interés en la biotecnología fúngica, donde pueden ayudar a avanzar la transición a una economía circular basada en bioproductos.

Al ofrecer soluciones para asegurar, estabilizar y mejorar el suministro de alimentos para la creciente población humana mientras se reducen las emisiones de gases de efecto invernadero, la biotecnología fúngica tiene el potencial de hacer una contribución significativa a la mitigación del cambio climático.

Mientras los hongos han recibido mucha atención en diferentes áreas, lo mismo no se puede decir respecto al campo de la ciencia de materiales, donde siguen estando poco investigados y, por supuesto, subutilizados, lo que podría cambiar finalmente a medida que los investigadores usan hongos para generar electricidad. 

El estudio más reciente demuestra el desarrollo de una batería fúngica funcional, que, aunque no produce mucha electricidad, puede generar suficiente para alimentar un sensor de temperatura durante varios días. Este tipo de sensores se utilizan en investigación ambiental o en la industria agrícola.

A diferencia de las baterías tradicionales, esta batería fúngica es completamente no tóxica y biodegradable, lo que la convierte en una opción respetuosa con el medio ambiente.

BioBattery: Green Electronics is Here

La batería basada en materiales orgánicos del Laboratorio Federal Suizo de Ciencia y Tecnología, una institución de investigación orientada a la aplicación de la ciencia y tecnología de materiales, ha facilitado el metabolismo fúngico y la generación de energía asociada.

Fuente: ACS

La célula viva aquí es una celda de combustible microbiana. Los microorganismos, al igual que cualquier ser vivo, convierten nutrientes en energía, y las celdas de combustible microbianas (MFC) también utilizan este metabolismo para crear energía y luego capturar parte de ella como electricidad. 

Las celdas de combustible microbianas han sido alimentadas mayormente por bacterias hasta ahora, cuando, por primera vez, investigadores de Empa “combinaron dos tipos de hongos” cuyo metabolismo funciona muy bien en conjunto “para crear una celda de combustible funcional”.

Los investigadores usaron un hongo levadura en el lado del ánodo, donde su metabolismo libera electrones, y un hongo de pudrido blanco se utilizó en el lado del cátodo, donde produce una enzima especial que permite la captura de electrones y luego se conduce fuera de la célula.

Los investigadores incorporaron los hongos en la batería como parte integral de la célula desde el principio. Utilizaron impresión 3D para fabricar los componentes de la batería fúngica, lo que les dio total libertad geométrica para imprimir dispositivos de forma y forma arbitrarias que pueden integrarse sin problemas con otros componentes electrónicos.

De esta manera, pudieron estructurar los electrodos de una forma específica bajo la cual los microorganismos pueden acceder a los nutrientes lo más fácilmente posible.

Ahora, la forma de hacerlo fue mezclando células fúngicas en la tinta de impresión. Esto significa superar el desafío de no solo encontrar un material en el que los hongos puedan crecer bien, sino también extruir la tinta sin matar las células.

“Por supuesto, queremos que sea conductiva eléctricamente y biodegradable.”

– Gustav Nyström, Jefe del laboratorio de Celulosa y Materiales de Madera

Para hacerlas conductoras electrónicamente, el equipo añadió negro de carbono y escamas de grafito a las tintas. 

Con amplia experiencia en impresión 3D de materiales blandos y basados en bio, el equipo pudo producir una tinta basada en celulosa (tintas fúngicas de hidrogel) que era adecuada para la tarea. El estudio señaló que utilizar celulosa para imprimir en 3D electrodos fúngicos es una nueva forma de canalizar la actividad metabólica de los hongos para su posible uso en dispositivos electroquímicos.

La celulosa es un polímero abundante, de bajo costo, renovable y biodegradable que se deriva de algas, bacterias, madera y tunicatos. De hecho, se ha utilizado con éxito en la fabricación de varios tipos de electrónica basada en orgánicos. 

Las células fúngicas incluso podrían usar la celulosa como nutriente, lo que ayuda a descomponer la batería después de su uso. Sin embargo, su principal fuente de nutrientes fueron azúcares simples, que se añaden posteriormente a las celdas de la batería.

“Puedes almacenar las baterías fúngicas en estado seco y activarlas in situ simplemente añadiendo agua y nutrientes.”

– Investigadora de Empa Carolina Reyes, microbióloga capacitada

Según el estudio, estas biobaterías pueden producir de 300 a 600 mV durante varios días. Al conectar cuatro baterías en paralelo, un sensor pequeño puede alimentarse durante 65 horas.

El equipo había desarrollado materiales, tintas y dispositivos en sus trabajos anteriores para una nueva rama de electrónica verde, incluyendo pantallas, sensores, baterías y supercondensadores. Con este estudio, ampliaron las posibilidades de lo que lograron en sus experimentos previos, donde proporcionaron dispositivos que podían almacenar energía eléctrica y generar energía en un sistema ambientalmente seguro. 

En la siguiente fase, los investigadores buscan hacer la batería fúngica más potente y duradera, así como lograr que el dispositivo sea totalmente imprimible en 3D. También investigarán otros tipos de hongos que sean más adecuados para el propósito de suministrar electricidad y preparar su dispositivo para su uso en aplicaciones prácticas en el campo.

Ahora, echemos un vistazo a algunos actores clave que operan en los mercados de baterías e impresión 3D. 

1. Proto Labs, Inc. (PRLB )

Un proveedor de servicios integrales de fabricación digital, Proto Labs se especializa en fabricación avanzada y servicios de impresión 3D para construir piezas personalizadas para sus clientes.

Proto Labs comenzó este año expandiéndose a producción de servicio completo, lo que la empresa denomina “una evolución natural”. Esto se traducirá en un mejor control de calidad y mejores opciones de precios mientras se enfocan en certificaciones industriales, permitiendo a la empresa servir a los clientes de principio a fin. El catalizador de esta expansión, Eric Utley, gerente de ingeniería de aplicaciones de impresión 3D en Proto Labs, dijo, fue la adquisición de 3D Hubs en 2021 que amplió su base de soluciones. 

Con la sostenibilidad convirtiéndose en una preocupación global apremiante y todos, desde consumidores, empresas y reguladores, trabajando para reducir su huella ambiental mediante el uso de materiales reciclados, Proto Labs también ha introducido materiales plásticos fabricados con contenido reciclado a su oferta CNC. Esto permite a los usuarios evitar el uso de materiales vírgenes para prototipado sin costo adicional.

Con una capitalización de mercado de $937.75 millones, las acciones de Proto Labs cotizan actualmente a $38.26, con una caída del 2.12% en lo que va del año. Tiene un EPS (TTM) de 0.94 y un P/E (TTM) de 40.69.

Para el tercer trimestre de 2024, la compañía reportó ingresos de $125.6 millones, una disminución del 3.9% comparado con sus ingresos récord de $130.7 millones en el mismo trimestre del año anterior. La utilidad neta del trimestre fue de $7.2 millones. Mientras tanto, el flujo de efectivo operativo fue el más alto desde 2020 antes de que Proto Labs adquiriera 3D Hubs. 

Las ganancias por acción no GAAP del tercer trimestre fueron $0.47, mientras que el EPS ajustado del año hasta la fecha se ha reportado con un aumento de más del 10% interanual con ingresos planos. En total, Protolabs atendió a 22,511 contactos de clientes. El saldo de efectivo e inversiones, al 30 de septiembre de 2024, era de $117.6 millones.

2. BYD Company Ltd. (BYDDF: OTCPK)

La BYD, con sede en China, está principalmente involucrada en la fabricación y venta de equipos de transporte, pero también se dedica a la construcción de baterías recargables, productos fotovoltaicos y dispositivos electrónicos de uso diario. 

Con una capitalización de mercado de $105.57 mil millones, las acciones de BYD cotizan actualmente a $33.33, con una caída del 1.99% en lo que va del año. Tiene un EPS (TTM) de 1.66 y un P/E (TTM) de 20.08, mientras que el rendimiento de dividendos es del 1.31%.

Según los últimos datos publicados, BYD ocupa el segundo lugar con una participación del 23.19% en la capacidad instalada de baterías de potencia en China, que alcanzó 17.49 GWh. Las instalaciones totales de baterías de potencia en el país ascendieron a 75.4 GWh, un aumento del 57.3% interanual. Para el año completo 2024, BYD se ubicó en segundo lugar con una participación del 24.74%, mientras que CATL mantuvo su posición con una participación del 45.08%.

El principal productor de baterías recargables, BYD ofrece baterías de iones de litio, baterías NiMH y baterías NCM, que tienen una amplia variedad de usos, incluidos electrónica de consumo, vehículos de nueva energía y almacenamiento de energía. El punto crítico aquí es que la compañía posee todo el diseño de la cadena de suministro, lo que le permite tener un mejor control sobre la calidad y el costo.

BYD está ahora lista para lanzar la nueva generación de la batería Blade para vehículos eléctricos este año, la cual será utilizada en los futuros vehículos de la compañía. La primera generación de la batería Blade fue introducida por BYD en 2020, y su generación actual es utilizada por BYD para alimentar sus vehículos eléctricos, así como por otros fabricantes como Tesla (TSLA ), Toyota (TM ), Ford (F ), Kia, y Hyundai.

En comparación con las baterías de iones de litio convencionales, estas baterías de fosfato de litio (LFP) son más rentables y han ayudado a BYD a introducir modelos de vehículos eléctricos económicos que impulsaron su crecimiento. La próxima generación de baterías Blade será aún más compacta, eficiente, segura y ofrecerá mayor autonomía.

En cuanto al negocio automotriz de la compañía, BYS vendió un número récord de vehículos eléctricos e híbridos a nivel mundial el año pasado, mientras que su mayor rival, Tesla, vendió 4.3 millones. El fabricante de automóviles más vendido de China vendió en realidad 1.76 millones de vehículos eléctricos puros en 2024, aunque enfrenta una feroz competencia en el mercado interno, impulsada por cientos de miles de millones de dólares en subsidios gubernamentales durante la última década.

En cuanto a los ingresos de la compañía, para el tercer trimestre de 2024, el fabricante chino de vehículos eléctricos, que dejó de producir vehículos con motor de gasolina en 2022, registró un aumento del 11.5% en la utilidad neta, que se elevó a $1.63 mil millones, mientras que sus ingresos crecieron un 24% interanual hasta $28.24 mil millones.

Conclusion

Las baterías, un componente importante de la electrónica actual, así como de los vehículos eléctricos, redes celulares intuitivas y misiones espaciales de gran profundidad, están impulsando la revolución tecnológica. Sin embargo, el rápido crecimiento de los desechos electrónicos y la disminución de los materiales no renovables requieren que desarrollemos productos basados en recursos naturales renovables, que se está convirtiendo en el foco, como vimos hoy con investigadores que recurren a materiales orgánicos como los hongos para construir baterías. 

Los hongos, que durante mucho tiempo han enriquecido la vida en la Tierra y están dando forma a nuestro futuro, han experimentado una ola creciente de interés gracias a su liderazgo en reciclaje y transformación de materiales. Ofrecen soluciones para lograr la transición verde a una economía circular basada en bioproductos, introduciendo nuevos conceptos para garantizar la salud humana, vegetal y animal. 

Aunque los hongos han sido explorados y utilizados en agricultura, medicina y biotecnología, el estudio más reciente marca un gran paso adelante en el campo de la ciencia de materiales y la electroquímica microbiana. Lo hace utilizando materiales respetuosos con el medio ambiente en su construcción y creando oportunidades para imprimir en 3D varios electrodos fúngicos basados en celulosa para su uso en celdas de combustible microbianas.

Avances como estos abordan desafíos ambientales apremiantes y abren nuevas posibilidades para diseñar sistemas de almacenamiento de energía de alto rendimiento basados en bioproductos, ayudándonos a acercarnos a lograr una economía verdaderamente sostenible y circular.

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