Cuando la luz de espectro completo incide en una planta, contiene fotones tanto productivos como dañinos, y las plantas deben combatir la luz innecesaria, gastando energía en su propia defensa. Los científicos han propuesto un recubrimiento alternativo para los invernaderos de tomates de nueva generación o las instalaciones agrovoltaicas.
Wayne Hicks escribe sobre un logro revolucionario para los invernaderos de tomates del futuro en un comunicado del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de EE. UU.
El verano pasado, investigadores del Laboratorio Nacional de Energías Renovables del Departamento de Energía de EE. UU. cultivaron una docena de plantas de tomate para encontrar la fórmula de luz ideal. Las plantas se alojaron en el segundo piso del edificio del Laboratorio de Pruebas de Campo, en dos invernaderos especiales. Seis de ellas se expusieron a todo el espectro solar, sirviendo como control para seis plantas cultivadas con menos luz. La luz solar reducida que llegaba a las demás plantas se filtraba a través de paneles morados especiales, de modo que solo les llegaba el espectro más beneficioso para los tomates.
El experimento se diseñó para demostrar la eficacia del filtro fotoeléctrico BioMatch, que permite que el espectro de luz preciso que mejor se adapta a las necesidades fisiológicas de la planta pase a través de los materiales semiconductores orgánicos utilizados en las células solares. En el segundo año del proyecto interdisciplinario “No Photon Left Behind”, los investigadores han determinado que limitar el espectro provoca que los tomates crezcan más rápido y más grandes que los que reciben luz solar directa.
“Cuando la luz entra en contacto con una planta, pueden ocurrir muchas cosas. Dependiendo del tipo y la cantidad de luz, se activan diferentes vías fisiológicas. Estas vías fisiológicas a menudo determinan la productividad de la planta”, explicó Bryon Larson, químico fotovoltaico orgánico (OPV) del NREL e investigador principal del proyecto.
“Estamos estudiando qué les sucede a las plantas cuando la luz solar se filtra solo al espectro y la dosis que la planta necesita, que es el requerimiento de luz de las plantas, y podemos lograr esto con el concepto de recolección espectral BioMatched, mientras usamos la luz que las plantas no necesitan para generar electricidad utilizando módulos OPV transparentes”, explica.
Los investigadores cultivaron tomates junto a un espacio de laboratorio dedicado a las algas. De hecho, los primeros experimentos del proyecto se realizaron con algas. Los científicos recubrieron botellas del organismo unicelular con un filtro fotoeléctrico BioMatched, diseñado para estimular un crecimiento óptimo. En lugar de los meses que lleva cultivar tomates, el trabajo con las algas dio sus frutos en un solo fin de semana.
Liv Lawrence, bióloga vegetal que lidera la investigación de algas en el NREL, es coinvestigadora principal del proyecto. «Demostramos que las células crecieron más rápido, produciendo más biomasa, a pesar de que se eliminó gran parte del espectro y las algas recibieron menos fotones en general. Descubrimos que las algas fotosintéticas tienen una tasa mucho mayor de conversión de fotones en electrones para la biomasa, lo cual fue emocionante. Así que, naturalmente, nos preguntamos si los mismos efectos se aplicarían a las plantas y los cultivos, donde se podría obtener el mismo rendimiento utilizando solo el espectro de luz que los cultivos necesitaban, sin tener que reflejar la luz que no necesitaban como fotones desperdiciados», dijo Lawrence.
Los resultados demostraron la solidez de la ciencia, proporcionaron datos preliminares y dieron a los investigadores la confianza para solicitar financiación del programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio. Un invernadero dedicado habría sido ideal, pero los científicos tuvieron que conformarse con el espacio disponible.
Los dispositivos fotovoltaicos captan la luz solar y la convierten en electricidad. Los filtros OPV para algas y tomates no generan electricidad, pero el objetivo final será incorporar materiales BioMatched en paneles solares translúcidos que suministrarán electricidad al invernadero y permitirán el paso de la luz a las plantas.
Cuando la luz de espectro completo incide en una planta, contiene fotones productivos y dañinos, y la planta debe combatir la luz residual gastando energía para protegerse. Las algas deben hacerlo. Las plantas comunes deben hacerlo. Si se tomaran las longitudes de onda de luz útiles e inútiles que se separaron, se recolectara la parte inútil para generar electricidad y se destinara la otra parte al crecimiento vegetal, se diseñaría un sistema que, en general, es más eficiente en el uso de la energía solar, ya que la distribuye espectralmente entre diferentes funciones: el crecimiento vegetal mediante la fotosíntesis y la generación de electricidad mediante la energía fotovoltaica. Ese es el elemento único de nuestro trabajo, de ahí el nombre: que no se desperdician fotones, dijo Larson.
Seth Steichen, biólogo que trabaja con Lawrence, supervisó de cerca los tomates, con la ayuda de Kelly Groves. Observaron que las plantas cultivadas bajo luz biocompatible de OPV crecieron más altas que sus vecinas, que recibieron luz solar directa. Aunque las plantas de control recibieron un 30 % más de luz, las plantas de OPV se beneficiaron selectivamente de la porción del espectro solar que necesitaban. Los tomates, del tamaño de una pelota de béisbol, crecieron brillantes y jugosos.
“Para experimentos de laboratorio, estos tomates tan coloridos son inauditos”, dijo Steichen. “Básicamente, nadie realiza experimentos de laboratorio con ellos. Debido a su tamaño y su ciclo de vida relativamente largo, no se suelen usar para experimentos de laboratorio. Son los tomates de invernadero más cultivados en Estados Unidos, por lo que se están cultivando aquí ahora mismo para conectarlos lo mejor posible con el mundo real”.
Las pruebas regulares consideraron factores como el tamaño, el peso y el rendimiento fotosintético, que mide la capacidad de las plantas para convertir la luz en biomasa. Los tomates cultivados con filtros BioMatched obtuvieron los mejores resultados.
En general, son un poco más eficientes en cuanto a la producción fotosintética que las plantas de control. El concepto general es que aún se puede extraer parte de la luz y convertirla en electrones sin dejar de producir la misma cantidad de fruta. En principio, esto solo prueba si funciona con esta química de filtrado de luz —dijo Steichen, señalando las plantas bajo la luz filtrada—.
Las células solares más utilizadas son inorgánicas y están hechas de un solo material: silicio. Sin embargo, los investigadores del NREL han sido pioneros en el desarrollo de células solares basadas en semiconductores orgánicos, producidos mediante química sintética. Estos dispositivos fotovoltaicos orgánicos han demostrado ser prometedores y tienen el potencial de producir células altamente eficientes que, además, son flexibles, ligeras y económicas.
Durante más de 15 años en NREL, Larson ha acumulado una base de datos de las propiedades de los semiconductores orgánicos, lo que le permite seleccionar compuestos que producirán el espectro adecuado para una planta en particular.
Las plantas convierten la luz en la energía química que necesitan para crecer. Tras calcular la cantidad de luz que necesita una planta, el equipo utiliza un programa creado por ellos mismos para crear formulaciones de BioMatch basadas en las necesidades de luz específicas de la planta. Posteriormente, el equipo amplía los procesos de deposición de película delgada para producir los filtros adecuados, permitiendo que solo el espectro deseado llegue a las plantas. Para demostrar que lo contrario también es cierto, demostraron que los filtros anti-BioMatch privarían rápidamente a la planta de luz.
La investigación podría desempeñar un papel en el campo emergente de la agrovoltaica, en el que se cultivan diversas plantas cerca y bajo hileras de paneles solares, o contribuir al desarrollo de invernaderos energéticamente eficientes de nueva generación. Los paneles podrían adaptarse a cualquier especie vegetal.
La etapa final del estudio fue una prueba de sabor. Larson compró tomates de referencia de invernadero industrial, cultivados orgánicamente, como parte de la prueba. Cortó los diferentes tomates, los colocó en platos y los mezcló de tal manera que ni siquiera él pudo distinguirlos. Solo las etiquetas en la base de los platos dieron la respuesta. Los investigadores probaron los tomates solos, con sal, con pimienta y con galletas, y luego los clasificaron por orden de preferencia.
Los tomates comprados en tienda quedaron en último lugar. El consenso estuvo dividido entre si los tomates cultivados bajo VPO eran los favoritos, en comparación con los tomates de control cultivados bajo luz solar regular. Larson dijo que consideraba los resultados una victoria para Steichen y el equipo de biología, quienes se encargaron del cuidado de los tomates seis días a la semana durante casi cinco meses. Con su primer experimento completo y sabroso, los investigadores están en camino de comprender mejor cómo interactúan la luz y el crecimiento de las plantas.
Fuente: NREL. Autor: Wayne Hicks.
En la imagen se muestran los investigadores del NREL Bryon Larson y Liv Lawrence posando en el edificio de pruebas de campo donde se cultivan plantas, incluidos tomates.
