Fabricar una batería con bacterias suena a ciencia ficción, pero el verdadero dolor de cabeza no es la ciencia, sino la convivencia. Imagina que encierras a miles de estos pequeños organismos en una habitación. Las bacterias, como nosotros, necesitan comer, respirar y generar residuos. Si las dejas en una superficie plana, se quedan sin espacio casi de inmediato. Y si las metes en un material esponjoso con poros, se reproducen tanto que terminan taponando las entradas. El resultado es un caos microscópico: la comida no entra, los desechos se acumulan y, mientras las bacterias de arriba se dan un festín, las del fondo mueren de hambre. Este dilema logístico llevaba años frustrando a los ingenieros que buscaban convertirlas en generadores de energía limpia.
Seokheun Choi, profesor de la Universidad de Binghamton, conoce bien esa frustración; lleva una década intentando resolver el acertijo. En su laboratorio ha probado de todo: papel, tela, metal, plásticos avanzados. Pero el muro siempre era el mismo: o faltaba espacio o el sistema se colapsaba. La respuesta definitiva no llegó de la ingeniería tradicional, sino de la anatomía humana. Un día, leyendo sobre cómo funciona nuestro intestino delgado, Choi se dio cuenta de que la naturaleza ya había descifrado el código hace millones de años.
Las paredes de nuestro intestino están llenas de vellosidades, unas diminutas protuberancias que parecen dedos y que multiplican el espacio disponible para absorber nutrientes. Justo debajo de cada vellosidad hay un flujo constante de sangre que se lleva los desechos y trae lo necesario para que las bacterias intestinales vivan felices, bien alimentadas y sin ahogarse en sus propios residuos. Inspirados por este diseño perfecto, Choi y sus estudiantes Ruohan Zhang y Botian Wang decidieron imitarlo. El resultado de su ingenio, publicado en la revista Small, es una biobatería inspirada en el cuerpo humano. Un avance que, en el futuro, podría colocarse en las tuberías de aguas residuales para que las propias bacterias generen la electricidad necesaria para alimentar sensores, sin depender jamás de una pila convencional.
Vellosidades de hidrogel que alimentan a las bacterias
La biobatería funciona así. Los investigadores fabricaron unas columnas finas de hidrogel, un polímero blando y flexible que retiene agua, con la forma de las vellosidades intestinales. Dentro de ese hidrogel metieron esporas de Bacillus subtilis, una bacteria que en condiciones adversas se duerme y se convierte en una especie de semilla resistente. Cuando hay nutrientes, la espora despierta, germina y empieza a metabolizar. Al hacerlo, libera electrones. Y esos electrones son los que generan la corriente.
Las vellosidades de hidrogel actúan como el ánodo de la batería. En el otro extremo hay un cátodo de tela de carbono, separado por una membrana de intercambio iónico. Cuando el sistema recibe un flujo constante de nutrientes, mantiene una tensión estable de unos 0,75 voltios durante al menos 14 horas. No es mucha electricidad: da para encender un LED pequeño o alimentar un microsensor. Pero la clave no está en la cantidad, sino en la arquitectura. Las vellosidades de hidrogel lograron una densidad de potencia volumétrica 8,3 veces mayor que la de un electrodo plano del mismo tamaño. Es decir, en el mismo volumen, la estructura inspirada en el intestino produce ocho veces más electricidad que una superficie lisa .
Aguas residuales: el siguiente paso
La aplicación que más entusiasma a Choi es la de las aguas residuales. Su idea es colocar estas biobaterías dentro de las tuberías, donde las bacterias puedan alimentarse de la materia orgánica que fluye en el agua. «Podemos poner esta biobatería en una tubería de residuos, porque se integra fácilmente con su entorno», explica. «Puede usar los residuos del agua como nutriente y generar energía, y puede adaptarse exactamente a la forma y el tamaño de la tubería» .
En el laboratorio, el equipo ya ha probado una versión flexible de las vellosidades dentro de un tubo simulado, y ha comprobado que generan electricidad cuando entran en contacto con una solución que imita las aguas residuales. Pero hay un matiz importante: no era agua residual real. Era una imitación, una mezcla de nutrientes y electrolitos preparada en el laboratorio para parecerse lo más posible. El siguiente paso, que aún no se ha dado, es probar el sistema con agua sucia de verdad, con toda su complejidad, sus impurezas y sus variaciones .
Lo que falta por demostrar
El estudio es un avance sólido, pero es un prototipo de laboratorio. Quedan preguntas sin respuesta.
La primera es la durabilidad. Las esporas de Bacillus subtilis son resistentes, pero en un entorno real, con temperaturas cambiantes, productos químicos y competencia con otras bacterias, ¿cuánto tiempo sobreviven? ¿Cuántos ciclos de germinación y metabolismo aguantan antes de agotarse?
La segunda es la fabricación. Los investigadores quieren desarrollar un método de impresión 3D de un solo paso para fabricar estas vellosidades a escala. Ahora se fabrican con técnicas de laboratorio, una a una. Para que sean viables comercialmente, tienen que poder producirse en grandes cantidades y a bajo coste .
La tercera es la potencia. 0,75 voltios es suficiente para un sensor, pero no para mucho más. Si el objetivo es alimentar dispositivos más grandes, habrá que aumentar la densidad de potencia o conectar muchas unidades en serie. El equipo ya ha demostrado que se pueden conectar varias vellosidades en paralelo para aumentar la corriente, pero llevarlo a la escala de una tubería industrial es otro nivel.
Y la cuarta es la biología. Choi lo reconoce: en el intestino, las bacterias no están repartidas por todo el volumen de las vellosidades, sino concentradas en una capa de moco en la superficie. Su biobatería actual mete las bacterias en todo el hidrogel. Reproducir esa capa de moco, y el entorno químico que la rodea, podría mejorar aún más el rendimiento .
Lo que sí ha demostrado el equipo de Binghamton es que la naturaleza, una vez más, tenía la respuesta. El intestino lleva millones de años perfeccionando la forma de dar de comer a las bacterias sin que se ahoguen en sus propios residuos. Copiar esa estructura, con hidrogel y esporas, ha dado como resultado una batería que funciona. No es la batería del futuro. Pero es una batería que, dentro de una tubería, podría encender una luz que antes no se encendía.
