Los experimentos conducen a una mayor comprensión, a perspectivas más profundas y, a veces, incluso dan frutos. Ese fue precisamente el caso el verano pasado en el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) del Departamento de Energía de EE. UU., donde investigadores cultivaron una docena de plantas de tomate.
por Wayne Hicks, Laboratorio Nacional de Energías Renovables
Ubicadas en un rincón del segundo piso del Edificio del Laboratorio de Pruebas de Campo, las plantas se alojaron en dos invernaderos a medida. Seis de ellas se expusieron a todo el espectro solar, sirviendo como control para las seis plantas cultivadas con menos luz. La luz solar reducida que llegaba a las demás plantas se filtraba mediante paneles violáceos para que solo les llegara el espectro más beneficioso para los tomates.
El experimento pretendía demostrar la eficacia de lo que se denomina BioMatch, que permite que el espectro de luz exacto que mejor se adapta a las necesidades fisiológicas de la planta atraviese los materiales semiconductores orgánicos presentes en las células solares . En el segundo año del proyecto multidisciplinario «No Photon Left Behind», los investigadores determinaron que limitar el espectro hacía que los tomates crecieran más rápido y más grandes que los expuestos a la luz solar directa.
«Cuando la luz entra en contacto con una planta, pueden ocurrir muchas cosas. Se activan diferentes vías fisiológicas según el tipo y la cantidad de luz. Estas vías fisiológicas suelen determinar la productividad de la planta», explicó Bryon Larson, químico del NREL con experiencia en energía fotovoltaica orgánica (OPV) e investigador principal del proyecto.
Estudiamos qué les sucede a las plantas cuando la luz solar se filtra únicamente en el espectro y la dosis que necesitan, es decir, la luz que necesitan. Podemos lograrlo mediante el concepto de recolección espectral BioMatched, mientras que, al usar la luz, las plantas no necesitan generar electricidad con módulos OPV transparentes.
Los investigadores cultivaron los tomates junto a un espacio de laboratorio dedicado a las algas. De hecho, los experimentos iniciales de este proyecto se basaron en algas. Cubrieron las botellas que contenían el organismo unicelular con un filtro fotovoltaico BioMatched, diseñado para estimular un crecimiento óptimo. En lugar de los meses que lleva cultivar tomates, el trabajo con algas dio sus frutos en un solo fin de semana.
Lieve Laurens, bióloga vegetal que dirige la investigación sobre algas del NREL, es coinvestigadora principal del proyecto. «Demostramos que las células crecieron más rápido, generando más biomasa, a pesar de que se eliminó gran parte del espectro y las algas recibieron menos fotones en general», afirmó.
Descubrimos que las algas fotosintéticas tenían una tasa mucho mayor de conversión de fotones en electrones y biomasa, lo cual fue fantástico. Así que, naturalmente, nos preguntamos si los mismos efectos se trasladarían a plantas y cultivos, donde se podría obtener el mismo rendimiento con solo el espectro de luz que el cultivo necesita, sin necesidad de rebotar la luz que no necesita como fotones desperdiciados.
Estos hallazgos demostraron la solidez de la ciencia, proporcionaron datos preliminares y dieron a los investigadores la confianza necesaria para presentar su solicitud de 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.
La energía fotovoltaica capta la luz solar y la convierte en electricidad. Los filtros OPV para las algas y los tomates no generan electricidad, pero el objetivo final sería incorporar materiales BioMatched en paneles solares semitransparentes que suministren energía a un invernadero y permitan el paso de la luz de las plantas.
«Cuando la luz de espectro completo incide sobre una planta, contiene fotones tanto productivos como dañinos, y las plantas tienen que gestionar la luz innecesaria gastando energía para protegerse», explicó Larson. «Las algas tienen que hacer eso. Las plantas comunes tienen que hacer eso».
Si se toman las longitudes de onda de luz útiles e inútiles que se deben separar, se recolecta la parte no útil para generar electricidad y se envía la otra parte para el crecimiento de las plantas, se diseña un sistema que, en general, utiliza la energía solar de forma más eficiente, ya que la agrupa espectralmente en diferentes funciones: crecimiento de las plantas mediante la fotosíntesis o generación de electricidad mediante energía fotovoltaica. Este es un elemento único de nuestro trabajo; de ahí el nombre «Ningún Fotón Queda Atrás».
Los invernaderos improvisados miden aproximadamente dos metros y medio de alto y un metro y medio de ancho. La luz del sol entra en la habitación a través de una pared de ventanas detrás de las plantas y tragaluces sobre ellas. Tres enfriadores evaporativos en el techo mantienen la humedad circulando el aire. Al otro lado de la habitación hay un refrigerador lleno de tomates beefsteak maduros. Muchos son del tamaño de una pelota de béisbol. Los tomates no son precisamente bonitos; se recolectaron según un cronograma, lo que permitió que la piel de algunos de los frutos de rápido crecimiento se abriera.
Seth Steichen, biólogo que trabaja con Laurens, ha supervisado de cerca los tomates, con la ayuda de Kelly Groves. Han observado que las plantas cultivadas bajo la luz BioMatched de OPV se extienden más que las plantas vecinas expuestas a pleno sol. Aunque las plantas de control reciben un 30 % más de luz, las plantas de OPV reciben selectivamente la porción del espectro solar que necesitan.
«Para experimentos de laboratorio, estos tomates tan brillantes son prácticamente desconocidos», dijo Steichen. «Básicamente, nadie realiza experimentos de laboratorio con ellos. Debido a su tamaño y su ciclo de vida relativamente largo, estas son las razones por las que no se usan comúnmente en experimentos de laboratorio. Esta es la variedad de tomate más cultivada en invernaderos en EE. UU., por eso se cultivan aquí ahora mismo, para lograr la mayor conexión posible con el mundo real».
Las pruebas realizadas periódicamente 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 mejores resultados.
«En general, estas plantas son ligeramente más eficientes en cuanto a rendimiento fotosintético que las de control», dijo Steichen, señalando las plantas bajo la luz filtrada. «El concepto general es que aún se puede extraer parte de la luz y convertirla en electrones manteniendo la misma producción de fruta. Básicamente, esto es solo una prueba para ver si funciona con esta química de filtrado de luz».
Las células solares más utilizadas son inorgánicas y están hechas de un material único, específicamente silicio. Sin embargo, los investigadores del NREL han sido pioneros en el desarrollo de células solares basadas en semiconductores orgánicos , fabricados mediante química sintética. Estos dispositivos fotovoltaicos orgánicos han demostrado ser prometedores y tener potencial para producir células altamente eficientes que, además, son flexibles, ligeras y económicas.
Larson ha acumulado una base de datos de propiedades de semiconductores orgánicos durante sus más de 15 años en NREL, lo que le permite seleccionar (o BioMatch) compuestos que producirán el espectro adecuado para una planta en particular.
Las plantas convierten la luz en la energía química necesaria para su crecimiento. Tras calcular la cantidad de luz que necesita una planta, el equipo utiliza un programa informático creado por ellos mismos para generar composiciones BioMatch según sus necesidades lumínicas. Posteriormente, el equipo amplía los procesos de deposición de película delgada para producir filtros adecuados que permitan que solo el espectro deseado llegue a las plantas. Para demostrar que lo contrario también es cierto, han demostrado que los filtros anti-BioMatch privan rápidamente de luz a una planta.
«Me preocupé cuando llegó el verano, nueve meses después de iniciar el proyecto, las condiciones ideales para los experimentos con tomates», dijo Larson sobre el cambio de la experimentación con algas. «¿Y si estamos dando un salto demasiado grande al pasar de estos organismos unicelulares a plantas multicelulares mucho más complejas?»
Pero poder probar el concepto BioMatch con el cultivo de tomates, dijo, «es casi un sueño hecho realidad. Es decir, el hecho de que pudiéramos cultivar tomates durante el primer año se adelantó mucho a lo que el proyecto originalmente pretendía». La confianza adquirida al experimentar con cepas modelo de algas convenció a los investigadores de aprovechar la temporada de cultivo de verano en ese momento en lugar de esperar hasta el segundo año del proyecto.
«Cuando se realizan experimentos que dependen del clima, no hay más remedio que ‘aprovechar el buen tiempo’, como dicen», dijo Larson. «Decidí adelantar el experimento. No esperar. Y salió bien».
La investigación podría desempeñar un papel importante en el campo emergente de la agrovoltaica , donde se cultivan diversas plantas cerca y debajo de hileras de paneles solares, o ayudar a diseñar invernaderos de nueva generación energéticamente eficientes. Los paneles pueden adaptarse para que BioMatch alcance el espectro de luz ideal que necesita una planta, independientemente de la especie o del lugar del planeta donde se desee cultivar, dentro de unos límites razonables.
Una vez concluido el experimento que reveló que los tomates cultivados bajo la OPV habían acelerado su crecimiento, fue necesario realizar una prueba final.
«Todos estábamos deseando probar el sabor», dijo Larson, añadiendo que «personalmente estaría muy triste» si los tomates resultaran insípidos, dado lo prometedores que parecían a simple vista. La luz que llega a los tomates activa diferentes funciones, como la producción de azúcar para endulzar las frutas y proteínas para cambiar su textura. «La prueba de sabor será la gran sorpresa».
La ciencia exige variables, así que Larson compró tomates de invernadero de referencia industrial, cultivados orgánicamente, como parte de la prueba. Los troceó, los puso en platos y los mezcló de tal manera que ni siquiera él pudo distinguirlos. Solo las etiquetas en el fondo de los platos contenían la respuesta. Los investigadores probaron los tomates solos, con un poco de sal, con un poco de pimienta y con galletas, y luego los clasificaron por orden de preferencia.
Los tomates comprados en tienda quedaron en último lugar. El consenso se dividió entre si los tomates cultivados bajo la VPO eran los favoritos o los tomates de control cultivados bajo luz solar regular. Larson dijo que consideraba estos 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 el experimento inicial completado, y sabroso además, los investigadores están en camino a una mayor comprensión de la interacción entre la luz y el crecimiento de las plantas.
