Al final de este proceso tan ineficiente, solo el 1% de la energía de la luz solar pasa a la planta. Los científicos de UC Riverside y la Universidad de Delaware han encontrado una manera de eliminar por completo la necesidad de la fotosíntesis biológica y crear alimentos independientes de la luz solar mediante la fotosíntesis artificial.
La investigación, publicada en Nature Food, utiliza un proceso electrocatalítico de dos pasos para convertir el dióxido de carbono, la electricidad y el agua en acetato, el componente principal del vinagre. Los organismos productores de alimentos luego consumen acetato en la oscuridad para crecer. Este sistema híbrido orgánico-inorgánico, cuando se combina con paneles solares para generar electricidad para alimentar la electrocatálisis, podría hacer que la eficiencia de convertir la luz solar en alimentos sea hasta 18 veces más eficiente para algunos alimentos.
"Con nuestro enfoque, buscamos identificar una nueva forma de producir alimentos que pudiera trascender los límites normalmente impuestos por la fotosíntesis biológica", dijo Robert Jinkerson, profesor asistente de ingeniería química y ambiental en UC Riverside.
Para unir todos los componentes del sistema, se optimizó la salida del electrolizador para apoyar el crecimiento de organismos productores de alimentos. Los electrolizadores son dispositivos que usan electricidad para convertir materias primas como el dióxido de carbono en moléculas y productos útiles. La cantidad de acetato producido aumentó mientras que la cantidad de sal utilizada se redujo, logrando los niveles más altos de acetato jamás producidos en un electrolizador.
"Usando la configuración de electrólisis de CO2 en tándem de dos etapas de última generación desarrollada en nuestro laboratorio, pudimos lograr una alta selectividad hacia el acetato que era inaccesible a través de las vías convencionales de electrólisis de CO2", dijo el coautor Feng Jiao de la Universidad de Delaware. Los experimentos demostraron que una amplia variedad de organismos productores de alimentos, incluidas las algas verdes, las levaduras y el micelio fúngico productor de hongos, se pueden cultivar directamente en la oscuridad a la salida de electrolizadores ricos en acetato. El cultivo de algas con esta tecnología ahorra unas cuatro veces más energía que el cultivo de algas fotosintéticamente. La producción de levadura es aproximadamente 18 veces más eficiente energéticamente que cuando se cultiva con azúcar típicamente extraída del maíz.
Elizabeth Hann, candidata a doctorado en Jinkerson Labs y coautora del estudio; "Hemos podido cultivar organismos productores de alimentos sin ninguna contribución de la fotosíntesis biológica. Por lo general, estos organismos se cultivan con azúcares de plantas o insumos del petróleo, un producto de la fotosíntesis biológica que tuvo lugar hace millones de años. Esta tecnología convierte la energía solar energía en alimentos en comparación con la producción de alimentos basada en la fotosíntesis biológica, es un método más eficiente de conversión”. dice.
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Cuando se investiga el potencial de esta tecnología en el cultivo de plantas; Se descubrió que el caupí, el tomate, el tabaco, el arroz, la canola y los guisantes verdes pueden usar el carbono del acetato cuando se cultivan en la oscuridad.
Marcus Harland-Dunaway, candidato a doctorado en Jinkerson Labs y coautor del estudio, dijo: "Descubrimos que una amplia variedad de cultivos puede tomar el acetato que proporcionamos y ponerlo en los principales componentes moleculares que necesita un organismo". para el crecimiento y el desarrollo. Ahora estamos trabajando para mejorar el rendimiento de los cultivos con algunos trabajos de mejoramiento e ingeniería. "Podemos cultivar con acetato como fuente de energía adicional". dice.
La fotosíntesis artificial libera a la agricultura de la dependencia total del sol, abriendo la puerta a innumerables posibilidades para cultivar alimentos en condiciones cada vez más difíciles provocadas por el cambio climático antropogénico. Las sequías, las inundaciones y la disminución de la disponibilidad de tierras supondrán una amenaza menor para la seguridad alimentaria mundial, ya que los cultivos para humanos y animales se cultivan en entornos controlados que utilizan menos recursos. Los cultivos se cultivan actualmente en ciudades y áreas no aptas para la agricultura e incluso podrían proporcionar alimentos para futuros exploradores espaciales.
Según Jinkerson; "El uso de enfoques de fotosíntesis artificial para producir alimentos podría ser un cambio de paradigma en la forma en que alimentamos a los humanos. Al aumentar la eficiencia de la producción de alimentos, se necesita menos tierra y se reduce el impacto de la agricultura en el medio ambiente. Mayor eficiencia energética para la agricultura en entornos no tradicionales como el espacio significa más energía con menos entrada. Puede ayudar a alimentar a más miembros de la tripulación "
Este enfoque de la producción de alimentos se presentó al Deep Space Food Challenge de la NASA, donde ganó la primera etapa. Deep Space Food Challenge es una competencia internacional en la que se otorgan premios a los equipos por crear tecnologías alimentarias nuevas e innovadoras que maximizan la producción de alimentos seguros, nutritivos y deliciosos que requieren una entrada mínima para misiones espaciales de larga duración.
la coautora Martha Orozco-Cárdenas, directora del Centro de Investigación de Transformación de Plantas de UC Riverside; “Imagine naves gigantes cultivando plantas de tomate en la oscuridad y en Marte algún día, ¿qué tan fácil sería eso para los futuros marcianos?” dice.