A aplicação de uma pequena voltagem nas paredes dos tanques de cultivo de algas pode prevenir o acúmulo de nuvens e permitir que mais fotossíntese aconteça – Strong The One

Pesquisadores do MIT criaram uma tecnologia simples e barata que pode limitar substancialmente essa incrustação, potencialmente permitindo uma maneira muito mais eficiente e econômica de converter o gás de efeito estufa indesejado em produtos úteis.

A chave é revestir os recipientes transparentes com um material que possa conter uma carga eletrostática e, em seguida, aplicar uma voltagem muito pequena a essa camada. O sistema funcionou bem em testes em escala de laboratório e, com mais desenvolvimento, pode ser aplicado à produção comercial dentro de alguns anos.

As descobertas estão sendo relatadas na revista Materiais funcionais avançadosem um artigo do recém-formado do MIT Victor Leon PhD ’23, professor de engenharia mecânica Kripa Varanasi, ex-pós-doutorado Baptiste Blanc e estudante de graduação Sophia Sonnert.

Não importa o quão bem-sucedidos sejam os esforços para reduzir ou eliminar as emissões de carbono, ainda haverá excesso de gases de efeito estufa que permanecerão na atmosfera nos próximos séculos, continuando a afetar o clima global, aponta Varanasi. “Já existe muito dióxido de carbono lá, então temos que olhar para as tecnologias de emissões negativas também”, diz ele, referindo-se às formas de remover o gás de efeito estufa do ar ou dos oceanos, ou de suas fontes antes que sejam liberados no meio ambiente. ar em primeiro lugar.

Quando as pessoas pensam em abordagens biológicas para a redução de dióxido de carbono, o primeiro pensamento geralmente é plantar ou proteger árvores, que são de fato um “sumidouro” crucial para o carbono atmosférico. Mas há outros. “As algas marinhas representam cerca de 50% do dióxido de carbono global absorvido hoje na Terra”, diz Varanasi. Essas algas crescem de 10 a 50 vezes mais rapidamente do que as plantas terrestres e podem ser cultivadas em lagoas ou tanques que ocupam apenas um décimo da pegada terrestre das plantas terrestres.

Além disso, as próprias algas podem ser um produto útil. “Essas algas são ricas em proteínas, vitaminas e outros nutrientes”, diz Varanasi, observando que elas podem produzir muito mais nutrientes por unidade de terra usada do que algumas culturas agrícolas tradicionais.

Se ligadas à saída de gás de combustão de uma usina de carvão ou gás, as algas poderiam não apenas prosperar no dióxido de carbono como fonte de nutrientes, mas algumas das espécies de microalgas também poderiam consumir os óxidos de nitrogênio e enxofre associados presentes nessas emissões. “Para cada dois ou três quilos de CO₂poderia ser produzido um quilo de algas, e estas poderiam ser usadas como biocombustíveis, ou para ômega-3, ou comida”, diz Varanasi.

Os ácidos graxos ômega-3 são um suplemento alimentar amplamente utilizado, pois são uma parte essencial das membranas celulares e de outros tecidos, mas não podem ser produzidos pelo corpo e devem ser obtidos dos alimentos. “O ômega 3 é particularmente atraente porque também é um produto de valor muito mais alto”, diz Varanasi.

A maioria das algas cultivadas comercialmente são cultivadas em lagoas rasas, enquanto outras são cultivadas em tubos transparentes chamados fotobiorreatores. Os tubos podem produzir rendimentos de sete a 10 vezes maiores do que os tanques para uma determinada área de terra, mas enfrentam um grande problema: as algas tendem a se acumular nas superfícies transparentes, exigindo paradas frequentes de todo o sistema de produção para limpeza, o que pode demora tanto quanto a parte produtiva do ciclo, reduzindo assim a produção geral pela metade e aumentando os custos operacionais.

A incrustação também limita o projeto do sistema. Os tubos não podem ser muito pequenos porque a incrustação começaria a bloquear o fluxo de água através do biorreator e exigiria taxas de bombeamento mais altas.

Varanasi e sua equipe decidiram tentar usar uma característica natural das células das algas para se defender contra incrustações. Como as células carregam naturalmente uma pequena carga elétrica negativa em sua superfície de membrana, a equipe imaginou que a repulsão eletrostática poderia ser usada para afastá-las.

A ideia era criar uma carga negativa nas paredes dos vasos, de forma que o campo elétrico afastasse as células das algas das paredes. Para criar tal campo elétrico é necessário um material dielétrico de alto desempenho, que é um isolante elétrico com alta “permissividade” que pode produzir uma grande mudança na carga da superfície com uma voltagem menor.

“O que as pessoas fizeram antes com a aplicação de tensão [to bioreactors] foi com superfícies condutoras”, explica Leon, “mas o que estamos fazendo aqui é especificamente com superfícies não condutoras”.

Ele acrescenta: “Se é condutivo, então você passa corrente e está meio que chocando as células. O que estamos tentando fazer é pura repulsão eletrostática, então a superfície seria negativa e a célula é negativa, então você terá repulsão. Outra maneira de descrevê-lo é como um campo de força, enquanto antes as células tocavam a superfície e recebiam choques.”

A equipe trabalhou com dois materiais dielétricos diferentes, dióxido de silício – essencialmente vidro – e háfnia (óxido de háfnio), que se mostraram muito mais eficientes em minimizar a incrustação do que os plásticos convencionais usados ​​para fazer fotobiorreatores. O material pode ser aplicado em um revestimento extremamente fino, com apenas 10 a 20 nanômetros (bilionésimos de metro) de espessura, portanto, muito pouco seria necessário para revestir um sistema completo de fotobiorreator.

“O que nos entusiasma aqui é que somos capazes de mostrar que, puramente a partir de interações eletrostáticas, somos capazes de controlar a adesão celular”, diz Varanasi. “É quase como um botão liga-desliga, poder fazer isso.”

Além disso, Leon diz: “Como estamos usando essa força eletrostática, não esperamos que seja específica de uma célula e achamos que há potencial para aplicá-la em outras células além das algas. Em trabalhos futuros, teríamos gostaria de tentar usá-lo com células de mamíferos, bactérias, leveduras e assim por diante.” Também pode ser usado com outros tipos valiosos de algas, como a espirulina, que são amplamente utilizadas como suplementos alimentares.

O mesmo sistema pode ser usado para repelir ou atrair células apenas invertendo a voltagem, dependendo da aplicação específica. Em vez de algas, uma configuração semelhante pode ser usada com células humanas para produzir órgãos artificiais, produzindo um andaime que pode ser carregado para atrair as células para a configuração correta, sugere Varanasi.

“Nosso estudo basicamente resolve esse grande problema de bioincrustação, que tem sido um gargalo para os fotobiorreatores”, diz ele. “Com esta tecnologia, podemos agora realmente atingir todo o potencial” de tais sistemas, embora mais desenvolvimento seja necessário para escalar para sistemas comerciais práticos.

Quanto a quanto tempo isso poderia estar pronto para implantação generalizada, ele diz: “Não vejo por que não em um prazo de três anos, se conseguirmos os recursos certos para poder levar esse trabalho adiante”.

O estudo foi apoiado pela empresa de energia Eni SpA, através da MIT Energy Initiative.