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La quitina y su derivado, el quitosano, son polímeros naturales que se encuentran en los crustáceos, podrían solucionar un gran problema

La carne de cangrejo es deliciosa: esa es una verdad incuestionable, llena de ajo y mantequilla. Pero hay algo que quizá no sepa sobre su predilección por el crustáceo hervido: cada año se producen en todo el mundo entre seis y ocho millones de toneladas de residuos de caparazón de cangrejos, gambas y langostas, la mayoría de los cuales se vierten directamente en el océano o en los vertederos, dependiendo del país.

El problema no es tanto el colosal desperdicio que se arroja a la mesa como la oportunidad perdida. Los resistentes exoesqueletos de los cangrejos y sus congéneres marinos son ricos en sustancias químicas útiles y versátiles, como el carbonato de calcio, que tiene usos medicinales e industriales, y la quitina, el segundo polímero natural más abundante de la Tierra.

A lo largo de los años, los científicos han extraído la quitina de los caparazones de los crustáceos para todo tipo de aplicaciones, desde la ingeniería de tejidos hasta la fabricación de plástico biodegradable. Dado que la quitina y su polímero hermano, el quitosano, se consideran ecológicos y no tóxicos, ha habido mucho interés en incorporar estos compuestos químicos a las baterías.

En un artículo publicado a principios de este mes en la revista Matter, un grupo de ingenieros de la Universidad de Maryland lo ha conseguido, creando una impresionante batería de quitina y zinc que es biodegradable, pero que mantiene una considerable potencia eléctrica. A medida que el mundo avanza hacia un futuro más sostenible, se espera que una batería recargable derivada de un cangrejo pueda ser una alternativa viable, o incluso un sustituto, de las baterías de iones de litio, cuya demanda está aumentando (¡hola, vehículos eléctricos!). Al mismo tiempo, el litio se está convirtiendo en un recurso escaso.

"Se trata de una aplicación muy interesante de la quitina, que aprovecha su capacidad de renovación y su potencial de unión al zinc para crear nuevos materiales de electrodos", explica a Popular Mechanics Mark MacLachlan, profesor de materiales supramoleculares de la Universidad de Columbia Británica, que no participó en el estudio. La chispa que enciende el teléfono se debe a la química que se produce en el interior de la batería.

Las reacciones químicas denominadas reacciones redox producen un ritmo constante de corriente eléctrica en forma de electrones en movimiento. Éstos viajan a través de un circuito formado por los electrodos de la batería (hechos de dos metales conductores diferentes), su electrolito químico (un material similar a un gel o líquido que contiene partículas cargadas llamadas iones) y cualquier aparato o dispositivo al que esté conectada la batería.

Hay una gran variedad de metales y electrolitos utilizados en una pila. Por ejemplo, en una pila alcalina doméstica común, el electrodo positivo (el cátodo) está hecho de óxido de manganeso y el electrodo negativo (o ánodo) está hecho de zinc. El electrolito intermedio es hidróxido de potasio. En las baterías de iones de litio, el litio suele acompañar a otro metal, como el cobalto, en el cátodo y el carbono en el ánodo, y también constituye el electrolito.

Las baterías de iones de litio son la estrella emergente del mundo de la energía por su ligereza y su gran capacidad energética (además, son recargables). No es de extrañar que estas baterías se hayan introducido en casi todos los dispositivos electrónicos y vehículos eléctricos en las últimas décadas, pero la extracción de litio tiene un coste elevado y devastador para el medio ambiente. Además, las baterías de iones de litio no son fácilmente degradables o reciclables, lo que no las hace totalmente compatibles con la sostenibilidad, al menos en su forma actual.

"Las baterías recargables como fuentes de energía verde son esenciales para reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles y reducir la emisión de gases de efecto invernadero. Sin embargo, con el aumento de la demanda de vehículos eléctricos en los últimos años, se están produciendo y consumiendo grandes cantidades de baterías, lo que plantea la posibilidad de que se produzcan problemas medioambientales", afirma Meiling Wu, primera autora del nuevo estudio y becaria postdoctoral de la Universidad de Maryland, en un correo electrónico enviado a Popular Mechanics. "Por ejemplo, los separadores de polipropileno y policarbonato, muy utilizados en las baterías de iones de litio, tardan cientos o miles de años en degradarse y suponen una carga para el medio ambiente".

Los científicos han jugado con la quitina en los últimos años, buscando formas de incorporar esta sustancia orgánica -estructuralmente similar a la celulosa de las plantas- a las baterías. En 2016, MacLachlan y su laboratorio de la Universidad de Columbia Británica descubrieron que cuando se cocina la quitina con nitrógeno a temperaturas de hasta 1.652 grados Fahrenheit, se transforma el antiguo caparazón del cangrejo en un material de carbono-nitrógeno adecuado para los electrodos.

Pero Wu y sus colegas de la Universidad de Maryland optaron por un enfoque diferente. Se centraron en las pilas de zinc, que son una batería común desechable pero no recargable. Como este mineral es más fácil de conseguir que el litio (es decir, más barato de producir y suministrar) y menos tóxico (las pilas de zinc utilizan agua como electrolito), el zinc ha despertado mucho interés como nuestro caballero energético de color blanco plateado.

Sin embargo, cambiar el litio por el zinc no es fácil. En las pilas como electrodo, el zinc tiene una molesta tendencia a formar irregularidades en su superficie. Estas irregularidades se forman a medida que los electrones se desplazan y se convierten en pequeñas protuberancias que se convierten en bolas de nieve cada vez más grandes, llamadas dendritas, que interrumpen la corriente eléctrica de la pila.

Dado que el quitosano, un derivado de la quitina tratado químicamente, interactúa bien con el agua y es capaz de evitar que flote por ahí a su antojo, Wu y sus colegas creyeron que podían utilizarlo para fabricar un separador de baterías -una membrana semipermeable que mantiene separados los electrodos con cargas opuestas- que además es biodegradable.

¿Y cómo lo hicieron? Los investigadores tomaron una película de quitosano del tamaño de una moneda y la bañaron en una solución con zinc para que el mineral se adhiriera a la película. A continuación, escurrieron la película de quitosano y zinc y la apretaron con fuerza para densificarla. A diferencia de los intentos anteriores de densificar las películas de quitosano, esta técnica permitió obtener poros comparativamente grandes (de hasta cinco micrómetros de tamaño), lo que permitió la libre circulación de iones, explica a Popular Mechanics Jodie Lutkenhaus, profesora de ingeniería química de la Universidad A&M de Texas, que no participó en este estudio.

"Esto es clave porque cuando se piensa en el caparazón de un crustáceo, se piensa en que es muy duro y denso, y eso no es bueno para conducir iones", dice Lutkenhaus, que ha investigado sobre baterías de origen orgánico.

Para completar la construcción, se colocó un ánodo de zinc sobre el separador de quitosano y zinc junto con un cátodo hecho de un compuesto orgánico llamado poli(sulfuro de benzoquinonilo), o PBQS. Cuando Wu y sus colegas pusieron en marcha su batería Krabby en el laboratorio, no observaron la formación de dendritas en el ánodo de zinc. De forma impresionante, generó una corriente eléctrica de 50 miliamperios por centímetro cuadrado durante 400 horas (o 1.000 ciclos de carga), lo que se acerca a lo que son capaces de hacer las pequeñas baterías de litio.

A continuación, enterraron el electrolito a base de quitosano, no toda la batería, para ver cuánto tardaba en degradarse. Wu afirma que los microorganismos que habitan en la tierra tardaron unos cinco meses en consumir el electrolito, lo cual es mucho más rápido que los electrolitos convencionales que se depositan en los vertederos y, sin duda, es bueno para el medio ambiente.

"Esto no significa que el dispositivo de la batería en sí se degrade en cinco meses", dice. "En realidad, el electrolito está empaquetado en una celda cerrada, que está separada del aire y de los organismos. Este tipo de dispositivo puede funcionar durante mucho más tiempo".

Aunque no se van a ver baterías de caparazón de cangrejo a corto plazo, los investigadores esperan que sus baterías se conviertan en algo habitual, utilizadas en dispositivos electrónicos como el teléfono móvil o en almacenes dedicados a la energía renovable que se liberan a una red comercial.

Teniendo en cuenta que el quitosano sólo cuesta unos 1,70 dólares por gramo y que no se necesita mucha cantidad para fabricar su prototipo (sólo unos 20 microgramos para una batería del tamaño de una moneda de 20 milímetros), eso puede dar a la batería de quitosano y zinc una ventaja en cuanto al precio respecto a las baterías de iones de litio, que sufren un aumento de la demanda y los costes correspondientes.

Sin embargo, con el aumento de las temperaturas del cambio climático, que es lo que más afecta a la vida marina, cabe preguntarse qué pasará con los costes si las baterías de quitosano despegan. También hay que pensar en lo verdaderamente ecológico que sería su uso en el futuro: hay que tener en cuenta la huella de carbono de las actividades relacionadas con la recuperación de la quitina y su transformación en quitosano.

"Creo que el siguiente paso importante sería hacer un análisis tecnoeconómico para examinar cuál es la producción mundial de quitosano y, si vamos a aplicarlo, por ejemplo, al almacenamiento de energía a escala de red, ¿tenemos suficiente acceso a él?", dice Lutkenhaus. "Si empezamos a utilizarlo, ¿cambiará el precio debido a la demanda? [También] está el análisis del ciclo de vida... la huella de carbono de la captura de crustáceos, su transporte y su procesamiento".

Afortunadamente, dice Wu, tenemos otras fuentes de quitina, como los insectos y las paredes celulares de los hongos, por lo que no es del todo un fracaso si una fuente marina se queda en el camino. Y aunque hasta ahora nadie ha intentado sintetizar la quitina en el laboratorio, quién sabe lo que puede deparar el futuro. Por el momento, parece que nuestros residuos marinos salados podrían ser una solución a nuestros actuales problemas energéticos.

Vía: Popular Mechanics