Las plantas como fuente de energía eléctrica
Germán Tortosa (EEZ-CSIC) & José Emilio Padilla (IES Padre Suárez)

Las plantas crecen y ya observamos algunas diferencias según los tratamientos. Para eso, hoy medimos dos parámetros para confirmar su crecimiento: la altura de las plantas y el grosor de los tallos. Según los resultados, comprobamos que las plantas empiezan a crecer mejor en las macetas del tratamiento combinado, es decir, las de suelo con compost (S+C). ¡Eso es genial!

Todo esto quiere decir que en las macetas con suelo y compost comienza a haber más transformación de materia orgánica y nutrientes que asimilan las plantas. Por lo tanto, deberíamos esperar un cambio en la intensidad de corriente. ¿Conseguiremos ver esa diferencia? De momento, los voltajes no han cambiado y eso es buena noticia.

Nuestro experimento avanza a buen ritmo. Lo más importante de la sesión de hoy es que los voltajes de los tratamientos se mantienen constantes, que las plantas crecen adecuadamente y que seguimos encendiendo LEDs con nuestras maceto-pilas.

Hoy conseguimos un hito en el proyecto: ¡hemos encendido un LED!

¡Encendemos un LED!

Además de la medición del voltaje de las macetas, tanto individualmente como en serie, conectamos un LED al circuito y hemos observado que generamos suficiente intensidad de corriente como para encenderlo. Pero, ¿qué intensidad de corriente (I) tenemos en nuestras maceto-pilas?

De momento poca. Para encender un LED se requiere entorno a 20 mA. Es poco pero es un buen camino. Intentamos medir la I de cada tratamiento, pero nos encontramos con un problema experimental: la I es tan baja que no conseguimos medirlo con nuestro multímetro.

Tendremos que pensar bien como lo resolvemos, ¿alguna idea?

Seguimos con nuestro experimento con el que estamos estudiando si podemos obtener energía eléctrica con una maceta. En la sesión de hoy hicimos varias cosas:

• Medimos el pH del suelo. Con la ayuda de un medidor portátil analizamos el pH del suelo en cada una de las macetas del experimento. Para hacerlo, en un bote añadimos 2,5 g de suelo y 25 mL de agua, y lo agitamos durante un minuto. Después, introducimos la sonda de pH en el extracto acuoso y medimos

Hemos observado que hay diferencia en los valores según los tratamientos del experimento. Las macetas con solo compost (C) tuvieron un valor más alto (sobre 8,5) y las de solo suelo (S), menos elevado (sobre 8). Las de suelo con compost (S+C) entre ambos valores. Son muy interesantes estos datos ya que se observa una relación inversa con el voltaje. ¿A qué se deberá?

• Medimos el voltaje de las macetas. Como llevamos haciendo desde el principio, analizamos para cada tratamiento el potencial eléctrico (V) en cada maceta tanto de forma individual y como puestas en serie. Seguimos viendo diferencias interesantes entre tratamientos.

• Trasplantamos una cebolla en cada maceta. Incorporamos una planta con la idea de que se empiece a transformar la materia orgánica del suelo y así, haya más liberación de electrones. Esto es lo que comprobar como hipótesis de investigación, ¿lo conseguiremos?

En este experimento vamos a medir el potencial eléctrico (también llamado voltaje) que existe en un suelo. Pero antes tenemos que recordar algunos conceptos básicos de electricidad:

• Corriente eléctrica: Es el flujo de carga eléctrica que recorre un material. En el caso de una pila electroquímica, la carga son los electrones que se producen en una reacción química. Su unidad es Coulomb (q).

• Potencial eléctrico (voltaje o diferencia de potencial, V): Es la magnitud física que describe el trabajo necesario para trasladar una carga eléctrica de un lugar a otro. Su unidad es Voltios (V).

• Intensidad de corriente (I): Mide el flujo o la cantidad de carga eléctrica por unidad de tiempo. Se mide en Amperios (A)

• Resistencia eléctrica: Es la oposición del material al flujo de carga que lo atraviesa. Se mide en Ohmios (Ω).

• Ley de Ohm: Es la relación de las tres variables comentadas antes. De dicha ley podemos deducir que el voltaje es proporcional a la intensidad de corriente que atraviesa un material y a su resistencia. Por otro lado, la intensidad de corriente será mayor cuanto más elevado sea el voltaje, pero se reducirá si el material presenta una alta resistencia. ¿Qué pasa si la resistencia es demasiado elevada? Pues que el material es “aislante”, es decir, que no deja pasar la corriente eléctrica.

• Pila electroquímica: Un sistema que permite recoger la corriente eléctrica producida en una reacción química. Se necesita un cátodo (donde se produce la reacción de reducción o captación de electrones) y un ánodo (donde se produce la reacción de oxidación o liberación de electrones) que estén unidos.

Con estos conceptos ya estamos preparados para hacer nuestro primer experimento cuyo objetivo fundamental es medir el voltaje de un suelo con y sin compost como fuente de materia orgánica.

¿Cómo lo haremos?

Necesitamos varias cosas, entre ellas:

1. Macetas: Usaremos de pequeño volumen (0,5 L)

2. Un suelo fértil

3. Un compost. Usaremos uno producido en un experimento anterior.

4. Un multímetro: Un instrumento electrónico capaz de medir vafriables eléctricas como el voltaje, la resistencia o la intensidad de corriente.

5. Cables de conexión eléctrica

6. Cátodos y ánodos: Usaremos tubos de cobre de 10 cm de largo y tornillos galvanizados (Zn)

7. Bombillas Led

Con la idea de comprobar si el contenido en materia orgánica afecta al potencial eléctrico, vamos a probar varios tratamientos:

• Macetas con suelo (S)

• Macetas con compost (C).

• Macetas con suelo y compost al 50% (S+C).

Procedimiento:

1. Rotulamos cuatro macetas para cada tratamiento:

   1. S (S-1, S-2, S-3 y S-4)

   2. C (C-1, C-2, C-3 y C-4)

   3. S+C (S+C-1, S+C-2, S+C-3 y S+C-4)

2. Rellenamos las macetas con el suelo y el compost hasta casi el borde.

3. Añadimos 30 mL de agua para equilibrar todas las macetas con la misma humedad.

4. Insertamos los electrodos (cátodo y ánodo) en cada maceta.

5. Medimos el voltaje de las macetas de forma individual y enlazadas en serie con los cables (ánodo-cátodo-ánodo-cátodo-…).

6. Realizamos la medida cada semana para ver si se mantiene en el tiempo.

Resultados

Prueba 1. Uso del multímetro con pilas.

Antes de empezar con el experimento, hacemos una prueba para familiarizarnos con el multímetro. Usamos pilas para medir su voltaje: una pila de 1,5 V, tres pilas de 1,5 V puestas en serie y una petaca de 4,5 V.

Comprobamos que las pilas están cargadas ya que el voltaje obtenido es similar al teórico (1,5V). También observamos que al unir las pilas de 1,5 V en serie el voltaje se suma llegando a valores esperados (4,5V). La pila de petaca da resultados similares, ya que está formada por tres pilas de 1,5 V en serie.

La conclusión es que si queremos conseguir un mayor voltaje en nuestro sistema, tendremos que poner las pilas en serie.

Prueba 2. Determinación del voltaje en las macetas individuales.

Una vez introducidos los electrodos en las macetas, medimos el voltaje en cada una de ellas con la ayuda del multímetro. Lo hacemos para las macetas de cada tratamiento y estos son los resultados:

Vemos que el voltaje mayor lo tenemos en las macetas con suelo (tratamiento S) y el menor en las que solo llevan compost (tratamiento C). El tratamiento combinado (C+S) tiene valores comprendidos entre los anteriores.

Muy interesante la diferencia, ¿a qué se debe? Tendremos que pensar un poco para responder a esta pregunta.

Prueba 3. Determinación del voltaje en las macetas individuales.

Hacemos lo mismo que antes pero conectando las cuatro macetas de cada tratamiento en línea. Con la ayuda de los cables, conectamos el ánodo con el cátodo de la primero maceta y este lo unimos al ánodo de la segunda y así hasta completar todas las macetas. Después, medimos el voltaje entre el ánodo de la primera maceta y el cátodo de la cuarta maceta. Estos son los resultados:

Tratamiento Suelo (S)

Tratamiento Compost (C)

Tratamiento Suelo + Compost (S+C)

El valor obtenido es muy parecido a la suma de los voltajes de las macetas individuales, al igual que vimos en la prueba 1. Por lo tanto, hemos demostrado que conectando las macetas en línea conseguimos más voltaje.

Prueba 4. ¿Podremos encender una bombilla con nuestro sistema?

Tal y como hemos visto en la Ley de Ohm, para que haya corriente eléctrica (medida por la magnitud I) debe haber un voltaje adecuado y que no haya una gran resistencia.

Un suelo es un ente vivo donde habitan numerosos seres microscópicos capaces de realizar las reacciones químicas necesarias para generar los electrones implicados en la corriente eléctrica.

Con nuestro sistema será complicado encender una bombilla convencional al necesitar una intensidad de corriente importante. En el caso de las bombillas Led, estos requerimientos son menores. Para el caso de la bombilla Led verde, se necesita entre 1 y 2 V y 5-10 mA para que funcione.

Aunque el resultado fue sutil, se observa en la foto que con nuestro sistema de macetas (4 en serie) fue suficiente para encender un diodo verde. Su brillo fue más intenso con las macetas con suelo (tratamiento S), las de mayor voltaje, en relación con los otros dos tratamientos.

En resumen, el voltaje conseguido va de Tratamiento S> Tratamiento S+C> Tratamiento C

Hoy empezamos nuestro proyecto CAOS con una charla en el Instituto Padre Suárez en la que hemos explicado el marco teórico de nuestra investigación:

• Hablamos de la importancia del suelo y el papel fundamental de la materia orgánica y de las plantas en su conservación. El suelo es un “ente vivo” que tiene actividad biológica, y en el que se producen muchas reacciones químicas.

• También explicamos el funcionamiento básico de una pila o una batería. En esencia es un dispositivo donde se produce energía eléctrica por medio de una reacción química de oxidación y reducción, con un ánodo que recoge los electrones y el cátodo que los da.

• Finalmente nos hemos familiarizado con la energía biofotovoltaica, un sistema tecnológico con el que podemos aprovechar la actividad biológica de las plantas al crecer para obtener energía eléctrica mediante las reacciones químicas que se producen en la rizosfera (la parte del suelo más cercana a la raíz).
  
  

¿Cuál es nuestra hipótesis de trabajo?

En esta investigación vamos a demostrar que la materia orgánica que añadimos al suelo estimula la actividad biológica del suelo y de las plantas, la cual la mediremos con la energía eléctrica que producirá.

¿Cómo lo vamos a hacer nuestra investigación?

Nuestro proyecto se dividirá en dos partes:

1. Construcción de un sistema para generar electricidad. Para llevarlo a cabo necesitaremos varios equipos y materiales como un multímetro (nos servirá para medir la diferencia de potencial en voltio y la intensidad de corriente en amperios), unos cables y unos electrodos (de cinc y de cobre).

2. Crecer plantas con y sin materia orgánica. Una vez puesto a punto nuestro sistema, mediremos el potencial eléctrico y la intensidad de corriente en diversos lugares donde haya plantas. En concreto, mediremos en tres de ellas:

   1. Jardín del propio instituto

   2. El huerto urbano de nuestro profesor Emilio.

   3. Invernaderos de la Estación Experimental del Zaidín (EEZ-CSIC).

En las siguientes sesiones iremos viendo los detalles de los experimentos. Ahora, ¡al lío!

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