El plasma frío podría transformar las granjas sostenibles del futuro

El físico Stephan Reuter de Polytechnique Montréal pasa la mayoría de los días usando su experiencia en energía y materia para mejorar las tecnologías médicas. Sin embargo, recientemente, se paró en un mar verde para considerar cómo una lluvia de partículas cargadas podría afectar a la lechuga.

Lo habían invitado a uno de los invernaderos comerciales más grandes de Quebec para ayudar a los productores a repensar la energía de la agricultura. Dentro del edificio, revestido por paredes de vidrio y cubriendo más terreno que cuatro campos de fútbol, ​​miles y miles de plantas de lechuga flotaban sobre esteras de poliestireno en un sistema de cultivo hidropónico o sin suelo. La cosecha estaba casi lista para ser recolectada, empaquetada y enviada. La tarea de Reuter era utilizar la física para ayudar a la empresa Hydroserre Inc. en Mirabel a reducir su huella de carbono.

Con ese fin, la empresa está interesada en encontrar nuevas formas de combatir los patógenos y entregar fertilizantes a las plantas en crecimiento. Muchos fertilizantes contienen amoníaco, que se produce a partir de nitrógeno (necesario para el crecimiento de las plantas) e hidrógeno mediante una reacción química llamada proceso de Haber-Bosch. Este proceso revolucionó la agricultura a principios del siglo XX al hacer posible la producción masiva de fertilizantes. Sin embargo, el proceso produce cientos de millones de toneladas métricas de dióxido de carbono cada año.

«Idealmente, queremos un fertilizante que sea renovable», dice Reuter. Y para que sea realmente verde, debe crearse en la granja, haciendo innecesario el transporte, otro emisor de carbono. Reuter y un número creciente de químicos, físicos e ingenieros creen que pueden ver cómo hacer que eso suceda. Estos investigadores están trabajando hacia futuras granjas que sean verdaderamente sostenibles, donde la energía de fuentes renovables como la eólica o la solar se aproveche para producir un fertilizante eficiente en el lugar. Esperan realizar esta visión explotando el plasma.

Plasma en todas partes

Reuter podría parecer un consultor poco probable para un desafío agrícola. Después de todo, su experiencia está en la física del plasma, uno de los cuatro estados fundamentales de la materia, junto con los sólidos, líquidos y gases.

El plasma es muy común. De hecho, la mayor parte de la materia que se ve en el universo conocido, más del 99,9 por ciento, según los astrofísicos, se encuentra en estado de plasma. Los rayos producen plasma. También lo hacen esas lámparas novedosas y económicas en las tiendas de regalos de los museos. Encienda la energía y un electrodo en el centro de la esfera produce un alto voltaje que interactúa con el gas sellado dentro del vidrio para formar zarcillos de plasma coloreado que irradian hacia afuera. Toca el cristal y los zarcillos de plasma parecen llegar hasta tus dedos.

El sol es una bola de plasma y gas. El viento solar es una corriente de plasma que se desprende del sol (SN: 21/12/19 Y 1/4/20, pág. 6). Cuando ese viento choca con el cojín magnético protector rico en plasma que envuelve a la Tierra, las interacciones producen ríos de luz que se ven en la aurora boreal y la aurora austral.

El plasma también es un caballo de batalla de la tecnología moderna. Los ingenieros lo utilizan para grabar los millones de pequeños transistores que se encuentran en los chips de las computadoras, los automóviles y las tarjetas de cumpleaños musicales de hoy en día. Los píxeles de los televisores de plasma contienen gas que forma un plasma, sellado dentro de pequeñas células intercaladas entre dos placas de vidrio, y los letreros de neón y las luces fluorescentes brillan debido al plasma. Algunos exastronautas incluso predicen que algún día los motores de plasma nos impulsarán a Marte.

Pero, ¿qué es exactamente el plasma? Es una sopa de electrones con sus cargas negativas, iones positivos y átomos neutros que también produce campos electromagnéticos y radiación ultravioleta e infrarroja. El plasma se produce cuando el gas se sobreenergiza (por calor o una corriente eléctrica, por ejemplo) y los electrones se liberan de los átomos.

Los plasmas se producen de forma natural o pueden ser producidos por el hombre. Cuando se produce por altas temperaturas, como en el sol, se llama «plasma caliente», mientras que el plasma creado en una bola de plasma y otros entornos de temperatura ambiente

y baja presión se llama «plasma frío»». Las bolas de plasma facilitan la visualización: están llenas de una mezcla gaseosa que incluye uno de los gases nobles y muy estables, como el argón, el xenón, el neón o el criptón. El plasma forma esos zarcillos brillantes que se extienden desde el centro. La corriente de alta frecuencia excita electrones que luego se separan de los átomos de gas. Muchos experimentos agrícolas incluyen una mezcla de gases nobles y aire para producir iones de nitrógeno y oxígeno.
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¿Recuerdas esas fascinantes bolas de plasma? El pequeño rayo en el interior es plasma, que se forma cuando el alto voltaje en el centro de la bola hace que los electrones se separen de los átomos en el gas circundante, produciendo una mezcla de partículas cargadas y neutras.Chocolateoak / Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0)

Los científicos llevan mucho tiempo interesados ​​en las implicaciones biológicas del plasma. A finales del siglo XIX, el físico finlandés Karl Selim Lemström observó que el ancho de los anillos de crecimiento en los abetos cerca del Círculo Polar Ártico seguía el ciclo de la aurora boreal, ensanchándose cuando las auroras boreales eran más fuertes. Hizo la hipótesis de que el espectáculo de luces fomentaba de alguna manera el crecimiento de las plantas. Para emular artificialmente la aurora boreal, colocó una red de alambre de metal sobre las plantas en crecimiento y la atravesó con una corriente. En las condiciones adecuadas, informó, el tratamiento produjo mayores rendimientos de hortalizas.

Durante décadas, los científicos han sabido que la exposición al plasma puede matar de forma segura bacterias, hongos y virus patógenos. Pequeños estudios en animales también sugieren que el plasma puede estimular el crecimiento de vasos sanguíneos en la piel. En su investigación, Reuter estudia formas de aprovechar estas propiedades para inhibir nuevas infecciones en heridas y acelerar la curación o tratar otras afecciones de la piel. Pero más recientemente, él y otros físicos han estado trabajando en formas de utilizar el poder del plasma para mejorar la producción de alimentos.

Los experimentos realizados en la última década han probado una combinación de formas de aplicar plasma a semillas, plántulas, cultivos y campos. Estos incluyen el plasma generado con gases nobles, así como el plasma generado a partir del aire. En algunos casos, el plasma se aplica directamente a través de “chorros” de plasma que fluyen sobre las semillas o plantas. Otro enfoque utiliza agua tratada con plasma que puede realizar una doble función: riego y fertilización. Algunos estudios han reportado una variedad de beneficios, desde ayudar a las plantas a crecer más rápido y más grandes hasta resistir las plagas.

“Incluso en esta etapa muy, muy temprana de la investigación en la que nos encontramos con el plasma, que en realidad solo se ha hecho realidad en los últimos 10 a 15 años, estamos viendo datos muy prometedores”, dice el patólogo de plantas Brendan Niemira en la unidad de Investigación de Tecnologías de Intervención y Seguridad Alimentaria en el Centro de Investigación Regional del Este del Departamento de Agricultura de EE. UU. en Wyndmoor, Pensilvania. Es un fanático del enfoque: en Zoom, el avatar de Niemira muestra una almendra tomando el sol en un espeluznante brillo de plasma púrpura.

El desafío ahora, dice, es averiguar si el plasma puede entregarse a nivel de hectáreas de cultivos. «¿Podemos hacer que funcione en un entorno de campo? [to] ofrecer una ventaja que pueda integrarse en los sistemas de cultivo en el futuro? «

Dentro de ese desafío hay muchos otros, incluida la búsqueda de una forma de administrar plasma a las plantas a gran escala, lo que confirma los beneficios informados en estudios de laboratorio y muestra que el plasma es mejor que los métodos actuales. Y, finalmente, averiguar qué le está haciendo realmente a las plantas la sopa de plasma cargada.

Los avances recientes se hicieron posibles, dice Niemira, en gran parte porque en la década de 1990 y principios de la de 2000, los científicos desarrollaron formas eficientes y rentables de generar plasmas fríos mediante la transmisión de electrones de alta energía a un gas. Esos electrones chocarían con moléculas de gas, eliminando electrones y produciendo partículas cargadas. Desde entonces, dice, ha habido algo de prisa por probar el plasma en plantas en todas las etapas de crecimiento y con una variedad de estrategias.

Cambios de superficie

Uno de los usos más atractivos del plasma, según Reuter, es como fertilizante alternativo al amoníaco. Su plan para el proyecto del invernadero Mirabel, que ayudó a lanzar en la primavera de 2021 con científicos de la organización sin fines de lucro IRDA, o Instituto de Investigación y Desarrollo para el Medio Ambiente Agrícola, con sede en Quebec, es algo como esto: el plasma se genera enviando una corriente eléctrica a través de un gas que, idealmente, es solo aire. Ese proceso crea una mezcla de partículas cargadas y neutras, incluidos electrones e iones, que pueden producir especies reactivas de nitrógeno y oxígeno. En experimentos de mesa y luego en el invernadero, Reuter y sus colegas enriquecerán el agua con plasma y luego estudiarán si puede reducir los patógenos y afectar las plantas en crecimiento.

Las especies reactivas, como su nombre lo indica, están listas para reaccionar con átomos y moléculas, incluso en los seres vivos, y están disponibles biológicamente para las plantas. Cuando el plasma se agrega al agua, esas especies reactivas se disuelven. El agua infundida con plasma resultante, con su nitrógeno biológicamente disponible, se utilizará para regar las plantas. Hará el mismo trabajo que el amoníaco: el nitrógeno, que las plantas necesitan para crecer, se entrega en forma de iones, moléculas excitadas y compuestos en el agua. Si bien dosis elevadas de especies reactivas pueden dañar las células vegetales o el ADN, se ha demostrado que la cantidad de agua tratada con plasma es segura para la planta, dice Reuter.

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Para pruebas a pequeña escala, el físico Stephan Reuter y sus colegas utilizan una configuración como la que se muestra a continuación. Una descarga eléctrica crea plasma, que agrega especies reactivas de nitrógeno y oxígeno al agua en el plato. Esta agua tratada con plasma podría fertilizar plantas en crecimiento.Sean Watson, Bernard Nisol, Mike Wertheimer, S. Reuter

Los experimentos dirigidos por el bioquímico Alexander Volkov de la Universidad de Oakwood en Huntsville, Alabama, ofrecen otro ejemplo del tipo de investigación que se lleva a cabo en la agricultura de plasma. Volkov estudia las formas en que interactúan las plantas y el electromagnetismo. Por ejemplo, ha mostrado cómo un estímulo eléctrico puede desencadenarr el mecanismo de cierre de una Venus atrapamoscas.

Recientemente, Volkov se propuso estudiar cómo el plasma afectaría a 20 semillas de lengua de dragón, una variedad de frijol arbustivo. Phaseolus vulgaris. El experimento fue de baja tecnología. Él y sus colegas equilibraron las semillas en una bola de plasma durante un minuto cada una, luego incubaron las semillas en agua durante siete horas. Dos días después, los científicos descubrieron que en las semillas tratadas con plasma, la radícula, la pequeña protuberancia de la raíz que convierte a una semilla en una plántula, medía 2,7 centímetros, en comparación con 1,8 centímetros en las semillas no tratadas. una ganancia del 50 por ciento. El equipo informó los resultados en Biología vegetal funcional en febrero de 2021.

Menos de un centímetro de crecimiento adicional puede parecer modesto, pero Volkov se animó. El beneficio no pudo provenir de las especies reactivas de nitrógeno y oxígeno porque no pueden salir de la esfera de vidrio, pero de alguna manera, las semillas tratadas parecían tomar más agua para crecer más rápido.

Para investigar esa idea, él y sus colegas estudiaron las semillas utilizando un microscopio de fuerza atómica y una resonancia magnética, que revela cómo los tejidos absorben agua. En la vista a nivel de micrómetro del microscopio de fuerza atómica, Volkov vio que la exposición había estropeado la superficie de las semillas. Las imágenes parecían cadenas montañosas talladas. Esas crestas le daban al agua más área de superficie para adherirse y más aberturas a través de las cuales empapar el interior de las semillas, planteó la hipótesis. Las imágenes de resonancia magnética de los frijoles tratados mostraron franjas más grandes de blanco, lo que indica más agua en el interior, que los frijoles sin tratar.

“Cuando usamos las bolas de plasma o las lámparas, el agua puede penetrar fácilmente a través de los poros y acelerar la germinación”, dice.

Creciente evidencia

La física Nevena Puač del Instituto de Física de Belgrado en Serbia ha realizado docenas de estudios de pruebas de plasma en plantas y ha estado trabajando en el campo durante décadas. Ella dice que la mayoría de los estudios, exitosos o no, han probado dos ideas: plasma como desinfectante o como instigador del crecimiento.

En el frente de la desinfección, los tratamientos con chorro de plasma de menos de un minuto en alimentos como manzanas, tomates cherry y lechuga pueden reducir las bacterias que causan enfermedades, como Escherichia coli, Salmonela y Listeria. Algunos estudios también han analizado tiempos de exposición más altos: en un estudio de 2008, cinco minutos de tratamiento con plasma inactivaron el 90 por ciento de los agentes patógenos Aspergillus parasiticus hongos en avellanas, cacahuetes y pistachos.

Esta es la rama de investigación en la que también trabaja Niemira. En mayo de 2019 en LWT – Ciencia y tecnología de los alimentos, él y sus colegas demostraron que El tratamiento con plasma combinado con un desinfectante existente mató al 99,9 por ciento de Listeria en manzanas en menos de cuatro minutos. Trabajando solo, el desinfectante logró resultados comparables después de una hora. La combinación funciona mucho mejor de lo que cualquiera de los dos podría funcionar solo, dice.

Las investigaciones sobre la germinación de semillas y el crecimiento de plantas son igualmente prometedoras. Investigadores de la Academia China de Ciencias en Nanjing expusieron semillas de soja al plasma. Siete días después de la exposición, las raíces eran hasta un 27 por ciento más pesadas que las raíces de semillas sin tratar, informó el equipo en 2014. El mismo año, investigadores en Rumania informaron ganancias similares para las raíces y los brotes de rábano.

En la Conferencia de Electrónica Gaseosa del año pasado, organizada en línea por la Sociedad Estadounidense de Física, investigadores de Japón presentaron los resultados de un estudio de plántulas jóvenes tratadas directamente con plasma y con agua tratada con plasma en un arrozal en la prefectura de Aichi. Las plantas tratadas directamente con plasma al principio del proceso de crecimiento tuvieron hasta un 15 por ciento más de rendimiento que las plantas no tratadas. Pero el tratamiento de las plantas al final del proceso de crecimiento redujo el rendimiento. El tiempo importa, dice Puač. También lo hace el método de aplicación: en algunos casos en los experimentos en Japón, el agua tratada con plasma en realidad redujo el rendimiento.

“Que yo sepa, este fue el primer estudio en el que las plantas se trataron directamente”, en lugar de como semillas o después de la cosecha para su desinfección, dice la ingeniera Katharina Stapelmann de la Universidad Estatal de Carolina del Norte en Raleigh, quien organizó la sesión.

Los estudios han relacionado el tratamiento con plasma con una variedad de beneficios, dice Puač, desde la tasa de crecimiento hasta el rendimiento. Pero otros estudios sugieren que el plasma nunca será una tecnología única para todos.

Investigadores de Corea del Sur informaron en el Journal of Physics D: Física aplicada en 2020, por ejemplo, mientras que una exposición al plasma de seis minutos aumentó las tasas de germinación de los brotes de cebada, una exposición de 18 minutos, durante tres días, no produjo ningún beneficio en el crecimiento y redujo el peso total de la planta. Los resultados experimentales publicados en 2000 analizaron los efectos de los chorros de plasma directos en guisantes, maíz y rábanos y encontraron efectos perjudiciales que variaban según el gas utilizado en el plasma. Las semillas se expusieron durante dos a 20 minutos, y las semillas con exposición prolongada germinaron más lentamente que las semillas no tratadas.

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Nueve días después de sembrar la cebada, los investigadores en Corea del Sur encontraron que los brotes no tratados (extremo izquierdo) no crecían tan bien como los brotes que recibieron una exposición de plasma de seis minutos (segundo desde la izquierda). Los brotes tratados durante seis minutos en dos días consecutivos (segundo desde la derecha) y los brotes tratados tres días seguidos (extremo derecho) no crecieron particularmente bien, lo que sugiere que demasiado plasma puede ralentizar el crecimiento.J.-S. Canción et al / J. de Física D: Física Aplicada 2020

Lo que muestra la investigación, dice Reuter, es que antes de que el plasma se convierta en un alimento básico en las granjas de todo el mundo, los científicos deben comprender mejor las innumerables formas en que el cuarto estado de la materia podría afectar a las plantas.

Por ejemplo, los resultados satisfactorios para las plantas podrían deberse en parte a la radiación ultravioleta producida por el plasma; La radiación ultravioleta se ha utilizado durante mucho tiempo como desinfectante. Las especies reactivas de nitrógeno y oxígeno, que pueden ser útiles o dañinas para las células vivas dependiendo de cómo se utilicen, probablemente también ayuden como nutrientes y desinfectantes. El plasma también produce campos eléctricos y magnéticos y luz visible e infrarroja. Su impacto en las plantas tampoco se ha explorado por completo. Aunque los investigadores saben qué hay en el plasma y pueden ver cómo responden las plantas, no tienen los detalles trazados, dice Volkov.

Jardines grandes y pequeños

Se están llevando a cabo proyectos en todo el mundo para probar el plasma a gran escala y en diferentes entornos. Los científicos holandeses que trabajan en Uganda han desarrollado «reactores» portátiles que utilizan plasma para generar fertilizantes a partir del aire. Esperan que esta invención pueda satisfacer la necesidad de fertilizantes en lugares donde los agricultores a menudo no pueden obtener amoníaco. A principios de 2022, Reuter espera informar sus primeros resultados de experimentos de escritorio. El sistema de cultivo hidropónico de Hydroserre le brindará la oportunidad de perfeccionar su método.

Con un poco de suerte, dice, el proyecto mostrará un camino para que las granjas futuras reemplacen el amoníaco y reduzcan las emisiones de carbono.

Mientras los investigadores y cultivadores esperan esos resultados, se sabe que los científicos ciudadanos, los físicos aficionados y los jardineros experimentales hacen espacio en el cobertizo para una bola de plasma junto a sus rastrillos y palas, para realizar sus propios experimentos en casa.

Volkov ha intervenido. Cuando la pandemia cerró su laboratorio el año pasado, se llevó su trabajo, y sus bolas de plasma, a casa. Bañó las semillas de hortalizas de su jardín durante un minuto con el intenso brillo violáceo de la lámpara y luego las plantó.

“Fue pepino, tomates, berenjenas, repollo”, dice. Una prueba en el patio trasero no es prueba de nada, reconoce Volkov fácilmente, y cualquier jardinero puede dar fe de que una combinación meticulosa de las variables pueden hacer o deshacer un jardín.

Pero vio una cosecha asombrosa el otoño pasado. A fines de octubre, todavía estaba recogiendo tomates grandes y maduros de las vides cultivadas a partir de semillas tratadas con plasma, en un momento en que las plantas de semillas no tratadas a menudo se marchitan. Los pepinos eran más grandes y jugosos. Las coles, plantadas en el vivero de un amigo, eran más pesadas y deliciosas, dice. «Obtuve una cantidad fantástica de todo».

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