Imagen artística de un satélite espacial utilizado para la transmisión de energía.(Crédito de la imagen: NASA)
Los láseres alimentados por energía solar que funcionan con la maquinaria fotosintética de las bacterias podrían proporcionar algún día un medio poco masivo, sencillo y sostenible de suministrar energía en el espacio, en sustitución de las pesadas lentes y los complejos componentes electrónicos habituales, cuyo lanzamiento no resulta muy rentable.
«Nuestro plan es utilizar estructuras fotosintéticas extraídas de bacterias, y la idea es que puedas cultivarlas y seguir reponiendo material, no necesitas mantener una línea de suministro desde la Tierra», explicó a universeexpedition.com Erik Gauger, profesor de fotónica y ciencia cuántica en la Universidad Heriot Watt de Edimburgo y líder del nuevo proyecto.
Como el número de satélites en la órbita de nuestro planeta sigue creciendo, los científicos han empezado a centrarse en cómo proporcionar energía a estos satélites a largo plazo. Con mejores mecanismos de alimentación, es probable que podamos aumentar la vida útil de las naves espaciales. Una posible solución es el «power beaming», es decir, el uso de paneles solares para convertir la luz del sol en láseres o microondas que pueden ser enviados a un satélite averiado para que reciba energía a través de un receptor situado en el lateral del satélite.
A principios de 2023, las primeras pruebas de emisión de energía desde el espacio transmitieron con éxito microondas de baja potencia, no superior a unos pocos milivatios, desde el satélite Space Solar Power Demonstrator hasta una estación terrestre en Caltech. En 2025, investigadores japoneses pretenden lograr una hazaña similar.
Sin embargo, los paneles solares pueden ser grandes y voluminosos, y sus complejos diseños y circuitos significarían que cualquier parque solar en órbita requeriría sustituciones o reparaciones periódicas. Probablemente sea mejor encontrar un método más sostenible y autosuficiente, y los investigadores que trabajan en el proyecto APACE creen tener una solución. Con este proyecto pretenden adaptar las estructuras moleculares que permiten a las bacterias realizar la fotosíntesis a un sistema láser que podría utilizarse en el espacio.
«Nuestra idea clave es sustituir la óptica concentradora por los complejos de antenas fotosintéticas», afirma Gauger.
APACE cuenta con la participación de investigadores del Reino Unido, Alemania, Italia y Polonia, y está financiado por el Consejo Europeo de Innovación e Innovate U.K. con 476.000 euros para la fase 1. Gauger, como director del proyecto APACE, explicó en qué consiste la fase 1: «De momento, intentar hacer la prueba de principio en la Tierra en nuestros laboratorios, y la probaremos en condiciones espaciales simuladas hacia el final del proyecto».
El equipo extraerá las antenas moleculares y experimentará con ellas para determinar qué especies de bacterias producen las más útiles para las naves espaciales propulsadas por energía solar. Los investigadores también estudiarán estructuras de antenas artificiales de nanoingeniería para comparar su eficacia y utilidad con las de tipo orgánico.
Algunas bacterias extremófilas, por ejemplo, son capaces de prosperar en condiciones de muy poca luz gracias a sus antenas moleculares, capaces de absorber prácticamente todos los fotones que caen sobre ellas y dirigir la energía hacia donde sea necesario en la biología celular de la bacteria.
El proyecto APACE pretende adaptar tales bacterias, extrayendo sus antenas y utilizándolas para absorber la luz solar. La energía solar se desviaría entonces hacia el mecanismo láser. Los láseres funcionan utilizando un «medio de ganancia» dentro de la cavidad láser. Cuando los fotones interactúan con el medio de ganancia generan más fotones -lo que se denomina emisión estimulada- amplificándolos, hasta que hay suficientes para producir un haz intenso y coherente. El equipo está estudiando la posibilidad de utilizar nanocristales de neodimio como medio de ganancia, y la luz solar captada por las antenas fotosintetizadoras de las bacterias proporcionará los fotones necesarios para poner en marcha el láser y mantener su actividad.
Las bacterias podrían cultivarse en el espacio, tal vez en la Estación Espacial Internacional o en un satélite, eliminando la necesidad de continuos lanzamientos desde la Tierra para mantener y sustituir los viejos paneles solares.
Sin embargo, según Gauger, lanzar un prototipo al espacio requeriría mucha más financiación y dependería del éxito de la primera fase.
En esta fase, las ventajas de una versión satisfactoria del prototipo no son necesariamente la eficiencia, aunque ésta podría llegar más adelante. Un panel solar típico basado en el silicio convierte la luz solar en electricidad con una eficiencia de alrededor del 30%, generando unos cientos de vatios por metro cuadrado. Aunque las bacterias de las que se están adaptando las antenas fotosintéticas tienen una eficiencia cercana al 100%, las matrices solares orgánicas que se están diseñando en el marco del proyecto APACE sólo conseguirán convertir en energía entre el 10 y el 15% de la luz solar.
Aunque es mucho más deficiente que lo que hace la naturaleza, «quizá no sea sorprendente, ya que la evolución lo ha optimizado durante mucho tiempo», afirma Gauger. «No sabemos exactamente por qué la fotosíntesis es tan eficiente como lo es, y no somos tan buenos moviendo la energía a nivel molecular con estructuras artificiales, y nuestros materiales no son tan fuertemente absorbentes.»
Dejando a un lado las limitaciones, APACE seguirá aportando avances significativos. «Es una arquitectura muy diferente», afirma Gauger. Con una célula solar típica basada en silicio, la energía se recoge pero luego hay que hacer algo con ella, mediante componentes electrónicos, para convertirla en algo utilizable. «En nuestro caso, intentamos hacerlo sin nada eléctrico, sin batería, sin circuitos». El aparato fotosintetizador biológico convierte automáticamente la luz solar en láser sin necesidad de toda esa maquinaria.
Y hay que decir que el potencial de esta tecnología no tiene límites. Si tiene éxito, al ser una tecnología más sencilla y autosuficiente que no requiere lanzamientos espaciales frecuentes con cargas pesadas, podría abaratar el coste de la energía radiante. Además, no tiene por qué limitarse a suministrar energía a los satélites en órbita terrestre, sino que podría utilizarse para transportar energía a bases o vehículos en la Luna o Marte.
«Podría ampliarse su capacidad en el espacio cultivando más bacterias y fabricándolas allí, en lugar de tener que enviarlas», afirma Gauger. «Algunos de los problemas de ingeniería están probablemente un poco más adelante, pero esa es la visión a largo plazo».
