Un electrolito sostenible de quitosano y zinc para baterías de metal de alto rendimiento
En las fiestas de verano en el jardín, las conchas de cangrejo son solo una barrera entre el hambre y la satisfacción. Los habitantes de Maryland rompen con mazos de madera las cubiertas protectoras de los crustáceos, sacan la sabrosa carne y tiran los restos a la basura.
Pero, ¿Y si los caparazones de cangrejo pudieran tener un impacto mayor, desempeñando un papel vital en el aprovechamiento de la energía renovable y la reducción de las emisiones que calientan el planeta?
Los investigadores de la Universidad de Maryland (UMD) están cambiando la forma en que la gente ve esos delgados exoesqueletos, investigando la viabilidad de ponerlos a trabajar en una innovadora batería.
"La gente nunca pensó en eso antes", dijo Lin Xu, de 31 años, investigadora postdoctoral en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales en College Park.
Xu y un equipo de investigadores han estado explorando el uso de una sustancia química que proviene de los caparazones de los crustáceos en una batería de iones de zinc diseñada para almacenar energía renovable.
El otoño pasado, trabajando bajo la dirección de Liangbing Hu, un profesor de Maryland que dijo haber concebido la idea, el equipo publicó sus hallazgos sobre el quitosano, una sustancia que se encuentra en una variedad de caparazones de mariscos, incluidos el cangrejo y la langosta.
Desde que apareció en una revista científica, su trabajo ha llamado la atención.
"El artículo ya ha sido citado más de 20 veces", dijo Xu, quien creció en China y recibió su doctorado en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. "Eso es muy rápido".
Él y sus colegas están tratando de resolver el problema de cómo se puede almacenar la energía renovable, como la generada a partir de la energía solar o eólica.
"Es como un depósito", dijo Xu sobre la forma en que funcionan las baterías, esencialmente reteniendo energía hasta que se necesita.
Por la noche, por ejemplo, los electrodomésticos de una casa aún podrían funcionar con la energía del sol si una batería conectada a paneles solares en el techo almacena la energía generada durante el día. A mayor escala, una planta de baterías ubicada junto a una granja de paneles solares podría acumular energía para abastecer a una ciudad cercana.
"Todavía necesitamos encontrar el material para almacenar esa energía, para que actúe como depósito", dijo Xu.
Si bien las baterías de iones de litio como las que alimentan los teléfonos celulares y los vehículos eléctricos pueden parecer adecuadas para la tarea, Xu dijo que son costosas y que el precio puede aumentar a medida que crece la demanda de litio, un recurso finito.
También existen preocupaciones de seguridad en torno a las baterías de iones de litio, que pueden explotar y provocar incendios, dijo Xueying Zheng, un investigador que ha trabajado junto a Xu. "Si usamos una gran escala de baterías de iones de litio juntas... si un paquete explota, eso hará que todas las baterías exploten", dijo Zheng.
La batería de iones de zinc tiene un inconveniente diferente: no tiene una prolongada vida útil y funciona a plena capacidad durante solo unos días o una semana, dijo Xu.
Ahí es donde quizás las conchas de cangrejo proporcionan una solución.
Imagen: Una canasta de cangrejos azules de Maryland podría contener el secreto para la producción sostenible de baterías. Una nueva investigación dirigida por Maryland Engineering utiliza quitosano de caparazones de cangrejo para crear un electrolito biodegradable para el almacenamiento de energía renovable. Foto de John T. Consolali
Con una membrana de gel que contiene quitosano, el químico que se encuentra en las conchas de los mariscos, una batería de iones de zinc puede durar un año y seguir funcionando al 70% de su capacidad inicial. También son mucho más seguras, dijo Zheng.
La batería creada y estudiada por los investigadores de la UMD tiene el tamaño de una moneda, dijo Xu, pero podría ampliarse, con el objetivo de un costo más razonable en comparación con las alternativas, ya que el quitosano abunda en la naturaleza. La sustancia tiene una variedad de aplicaciones, desde biopesticidas en agricultura hasta vendajes que ayudan a curar heridas en medicina, según Hu.
En el laboratorio, el quitosano llega como un polvo de color amarillo claro que se transforma en un gel translúcido cuando se disuelve en una solución, según Hu, quien es el director del Centro de Innovación de Materiales de la UMD y enseña ciencia e ingeniería de materiales.
El quitosano, un carbohidrato, "se encuentra más abundantemente en los duros esqueletos externos de los mariscos, incluidos los cangrejos, las langostas y los camarones", dijo Hu. Después de lavar y secar las conchas, se "pulverizan en finos polvos", explicó, y luego se tratan con productos químicos.
El laboratorio de Hu compró quitosano de Sigma-Aldrich, una empresa química y de ciencias de la vida. En su sitio web, el quitosano se vende por alrededor de $300 por 250 gramos, el equivalente a poco más de media libra.
Un portavoz de Merck, propietaria de Sigma-Aldrich, dijo que la compañía no podía proporcionar detalles sobre cómo o de dónde obtiene el quitosano, ya que es "información de propiedad exclusiva". "Muchos investigadores están utilizando nuestros productos y soluciones de maneras muy interesantes y únicas", dijo el portavoz. "Los avances científicos, tanto grandes como pequeños, son emocionantes para nosotros, especialmente porque tienen un impacto positivo en la vida y la salud para crear un futuro más sostenible".
En Maryland, un estado conocido por sus cangrejos azules, algunos en la industria de procesamiento de cangrejos se han dado cuenta del nuevo uso potencial para sus restos.
"Me quedé impresionado cuando lo vi por primera vez, pensando '¿No es una locura?'", dijo Jack Brooks, quien leyó sobre la investigación de la batería en un boletín de comercio de productos del mar.
Brooks, de 71 años, es presidente de la Asociación de Industrias de Mariscos de la Bahía de Chesapeake y también codirige J.M. Clayton Co., una planta de procesamiento de ostras y cangrejos de propiedad familiar que opera en Cambridge desde 1921.
En un solo día, J.M. Clayton procesa de 80 a 350 bushels de cangrejos y cada bushel contiene aproximadamente 100 cangrejos. Los cangrejos se clasifican y se cuecen al vapor antes de quitarles la carne en una "sala de selección", explicó Brooks.
A partir de ahí, los caparazones descartados han enfrentado diferentes destinos a lo largo de las décadas.
A partir de la década de 1920, cuando J.M. Clayton operaba una planta de deshidratación en Cambridge, los exoesqueletos se convirtieron en un polvo pesado llamado "harina de cangrejo", dijo Brooks. El producto se usaba como fertilizante y alimento para pollos, pero el equipo era "viejo y primitivo", dijo, y su familia cerró la planta en la década de 1970.
Durante aproximadamente una década después de eso, los caparazones iban directamente al vertedero, "lo cual fue desafortunado", dijo Brooks.
Hoy, J.M. Clayton tiene un contrato para proporcionar caparazones de cangrejo todos los días, a través de un camión de basura, a una granja del condado de Dorchester, donde se usan como parte de un programa de fertilizantes. "Es una muy buena fuente de nutrientes para el suelo", dijo Brooks.
Otras plantas de procesamiento del área tienen contratos similares, dijo.
Imagen: electrolito sostenible de quitosano y zinc para baterías de metal de alto rendimiento
A.E. Phillips & Son, un procesador de cangrejos que vende a Phillips Seafood Restaurants y otros restaurantes locales y distribuidores de mariscos, desde 2018 opera una planta en Fishing Creek que ha descargado sus caparazones de cangrejo a un granjero para que los use como fertilizante.
Es la opción más rentable para la planta, que no obtiene ningún beneficio de los caparazones, pero probablemente gasta menos dinero que si contratara a una empresa privada de eliminación de desechos, dijo Brice Phillips, cuyo bisabuelo fundó A.E. Phillips & Son hace un siglo.
"Esto no es solo un desecho normal; es un desecho que, si no se deshace de él rápidamente, comienza a pudrirse y realmente apesta", dijo Phillips, de 47 años, quien se desempeña como vicepresidente de sustentabilidad de Phillips Foods.
Pero el procesamiento de A.E. Phillips & Son de 60,000 libras de carne de cangrejo por año en Maryland es eclipsado por la producción de Phillips Foods en Asia. Allí, dijo Phillips, cuatro fábricas en Indonesia, una en Vietnam y otra en India procesan un total combinado de 100.000 libras de carne de cangrejo cada semana.
Phillips dijo que no está seguro de qué sucede con los caparazones de los cangrejos después de que se recogen en esas plantas. Pero sugirió que Asia es un lugar ideal para la innovación. "Quienquiera que esté llevando a cabo esta investigación sobre baterías, si alguna vez va a hacer algo con esto, básicamente establecerá una planta en Asia para obtener los caparazones de cangrejo", dijo Phillips.
En Asia, cada libra de carne de cangrejo viene con cuatro libras de "tripas y caparazones", anotó.
Tanto Brooks como Phillips dijeron que estarían abiertos a adoptar un nuevo uso para los caparazones.
"Hemos visto ideas ir y venir, pero en este día y hora, con toda la investigación, la tecnología y las mentes creativas, quiero decir, bueno, todo es posible", dijo Brooks.
Phillips lo ve como una empresa comercial potencialmente fructífera, especialmente porque "parece que actualmente no hay demanda" de caparazones de cangrejo.
"Mi espíritu emprendedor ya está puliendo los engranajes, tratando de descubrir cuál es la mejor manera de recolectar estos caparazones en masa", reflexionó. "¿Cómo se procesaría, dónde se procesaría? ¿Dónde estaría la producción de baterías?"
Todavía queda un largo camino por recorrer para que las baterías basadas en quitosano sean una realidad fuera del laboratorio. Una startup para comercializar la nueva tecnología está en pañales, según Xu.
Si se demuestra que el quitosano es parte de la solución, y si se pueden usar caparazones de cangrejo procesados localmente, es probable que la gente del estado lo apoye.
"Los habitantes de Maryland ciertamente aman a sus cangrejos, y creo que a la mayoría de la gente le gusta la energía renovable", dijo Phillips.
El artículo sobre el quitosano se publicó en Matter el 1 de septiembre del año pasado: A sustainable chitosan-zinc electrolyte for high-rate zinc metal batteries
