Inspirado en la naturaleza: un biofísico desarrolla innovadores filtros para microplásticos

Nada majestuosamente por los océanos tropicales: la manta raya gigante. Con las oscilaciones ondulatorias de sus aletas, este animal marino de hasta ocho metros de largo y siete de ancho se desplaza, un poco como un pájaro con sus vuelos. Esta especie de manta raya puede pesar hasta dos toneladas y se alimenta, entre otras cosas, de diminuto zooplancton. Durante su migración, el gigante simplemente lo filtra del agua. Para ello, dispone de un sofisticado sistema en el interior de su cuerpo que separa las diminutas criaturas del agua.

Desde un punto de vista biofísico, es precisamente este sistema de filtrado el que resulta muy interesante para separar los microplásticos de los líquidos. Tim Robertino Baumann, estudiante de doctorado de la Universidad de Bielefeld, lleva casi dos años trabajando en la transferencia de este método. El biofísico es también explorador tecnológico en el proyecto de transferencia InCamS@BI, el Campus de Innovación para Soluciones Sostenibles de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Bielefeld (HSBI) y la Universidad de Bielefeld. Obtuvo la idea de su investigación a partir de una publicación científica en EE.UU., pero los investigadores de allí aún no han seguido adelante con su planteamiento. Baumann vio más potencial que sus colegas estadounidenses, y con razón. En su proyecto "Bluewater", como llamó a su tesis de máster, pudo demostrar que el método funciona. Ahora quiere optimizar "sus" filtros.

Microplásticos en el agua: el mayor emisor es la ropa

Los microplásticos son partículas sólidas y fibras insolubles en agua, compuestas de polímeros sintéticos o biológicos y a menudo mezcladas con aditivos. Su diámetro oscila entre un micrómetro y cinco milímetros; los más pequeños pertenecen a la categoría de los nanoplásticos. Los contaminantes, como patógenos o toxinas, pueden llegar a acumularse en la superficie, normalmente muy rugosa, de las partículas. Como los microplásticos se cuelan por las depuradoras de aguas residuales que utilizan métodos de filtrado convencionales, ahora se detectan en casi todas partes: En suelos agrícolas, en lodos de depuradora, en aguas marinas y fluviales, en la atmósfera, en la nieve, en el hielo del Ártico y en las profundidades marinas.

¿Por dónde empezar? Tim Robertino Baumann lo ha decidido: en el agua. Si observamos los microplásticos en el mar, veremos que el 35% de las partículas proceden de la ropa sintética, el 28% de la abrasión de los neumáticos y el 24% de las partículas urbanas. El resto procede de marcas viales, revestimientos de barcos y cosméticos, entre otras cosas. El mayor emisor es, por tanto, la ropa. Según los estudios, hoy en día está compuesta en un 60% por fibras sintéticas. Sobre todo cuando se lavan los textiles, las partículas y fibras pueden desprenderse y llegar al agua. Según la Agencia Federal de Medio Ambiente, hasta 2.000 fibras sintéticas procedentes de prendas de forro polar se liberan en el medio marino a través de los cursos de agua por cada ciclo de lavado. Cómo contrarrestarlo: Los consumidores podrían, por ejemplo, centrifugar menos, lavar los textiles con menos calor y evitar lavar los tejidos de vellón con prendas "duras" como los vaqueros. Sin embargo, la industria tiene la mayor baza en este contexto: podría ofrecer lavadoras con filtros de microplásticos, como será obligatorio en Francia a partir de 2025. Sin embargo, esto requeriría una tecnología que funcionara muy bien.

Los microplásticos secundarios son un peligro para las personas y los animales

El proyecto InCamS@BI, en el que Baumann trabaja además de su doctorado, es muy interdisciplinar y está especializado en la optimización de la cadena de valor circular, sobre todo en lo que respecta a los plásticos. Los filtros de microplásticos encajan perfectamente en el tema, ya que los microplásticos suelen ser un producto final de los plásticos, y su recuperación no es trivial. Si los productos plásticos no se eliminan correctamente, en el peor de los casos acaban en el medio ambiente y se degradan en microplásticos. Las partículas resultantes se denominan microplásticos secundarios. En cambio, los microplásticos primarios se producen en cantidades muy pequeñas y se utilizan, por ejemplo, en cosméticos o estropajos.

Los microplásticos constituyen un riesgo agudo y omnipresente, no sólo para el medio ambiente, sino también para los animales y las personas. Según la Organización Mundial de la Salud (OMS), los microplásticos afectan a los sistemas digestivo, respiratorio, cardiovascular y reproductor, así como a los riñones, el hígado y la glándula tiroides. Al no poder disolverse químicamente en el agua ni biodegradarse (salvo por bacterias u hongos especiales), los microplásticos permanecen en circulación durante mucho tiempo y se acumulan dentro y alrededor de las células y en los componentes celulares con el paso del tiempo. Esto es especialmente crítico si se liberan toxinas y patógenos o aditivos nocivos adheridos al plástico, lo que provoca inflamación. "Sin intentos específicos de recuperación, los microplásticos permanecen en el agua y representan un callejón sin salida en el ciclo del plástico", subraya Tim Robertino Baumann. "Sin embargo, con una investigación básica específica, esta parte del ciclo puede cerrarse y transferirse de la investigación a la industria. Esto nos permite resolver los problemas directamente en la fuente".

El filtro inspirado en la manta: un sistema de canales y laminillas

Desde que tomó la decisión, Tim Baumann ha pasado muchos meses en los laboratorios de la Facultad de Física de la Universidad de Bielefeld. El principio fue lo más difícil para este joven de 26 años: "Probé muchos materiales, trabajé con distintos métodos de unión, llegué al fondo de un error tras otro... a menudo era muy frustrante", recuerda. "Pero un día, tras nueve o diez meses de trabajo, estaba sentado en el despacho con mi mentora, la Dra. Martina Viefhues, muy desmotivado porque nada funcionaba. Ella me aconsejó que siguiera adelante y siempre se mostró optimista. Así que volví al laboratorio y, de repente, funcionó. Me quedé sin palabras y me sentí muy feliz", explica Baumann.

Los filtros que ha fabricado tienen un aspecto un tanto inusual y se asemejan a un sistema de canales: el canal de flujo se encuentra entre una silicona especialmente fabricada y moldeada y una placa de cristal, a través de la cual se bombea el agua mezclada con microplásticos desde un lado a una presión de diez bares -de cuatro a cinco veces más que en un neumático de coche-. Las partículas viajan directamente a través del canal y acaban en el contenedor de "residuos" junto con parte del agua. El agua restante, pura, encuentra un camino diferente a izquierda y derecha del centro alrededor de una especie de lamela. Debido a la presión, no vuelve a fluir, sino a un segundo recipiente, el de "filtrado".

Baumann crea primero un modelo en el PC y simula el flujo de agua. Si todo funciona en el ordenador, inicia la producción real. Esto significa que primero crea una máscara con la que fabrica una oblea maestra mediante fotolitografía. Así se crea un relieve negativo de la estructura, que se moldea con silicona blanda, un material que el propio científico mezcla. A continuación, la silicona se corta a medida, se perfora y se pega a un vidrio mediante un proceso especial llamado oxidación por plasma. A continuación puede comenzar el experimento propiamente dicho: La muestra se hace pasar por el filtro a alta presión. Consiste en agua mezclada con partículas microplásticas. Por último, se comparan entre sí las concentraciones de partículas de las salidas del filtro, es decir, el "residuo" y el "filtrado".

Los efectos del hombre en el medio ambiente no están bajo control

Actualmente, el método puede filtrar alrededor del 81% de las partículas de la muestra. Los dos recipientes (limpio y contaminado) están siempre aproximadamente igual de llenos después de las pruebas. Cada minuto se "persiguen" 25 mililitros de líquido a través del filtro. En el futuro, Baumann quiere demostrar que la tecnología también funciona con una presión de agua más baja. Y es que el agua en los hogares suele fluir a unos 2,5 bares, que es sólo una cuarta parte de la que utiliza actualmente en los experimentos. Su objetivo adicional es obtener agua aún más limpia.

Ahora cuenta con apoyo en el laboratorio: Ioannis Gkekas está escribiendo su tesis de licenciatura con Tim Robertino Baumann. Gkekas está modificando varios parámetros del filtro, por ejemplo ajustando la forma de las láminas o variando el espaciado. "La investigación aquí es genial porque hay mucho potencial en los filtros. Elegí deliberadamente este trabajo porque la contaminación de nuestro medio ambiente con microplásticos es sencillamente relevante desde el punto de vista social", afirma la joven científica Gkekas. El campo de investigación científica en el que se basa su trabajo se conoce como microfluídica.

Baumann ha terminado su tesis de máster y ahora está haciendo el doctorado sobre el tema con el profesor Dr. Dario Anselmetti, y trabaja a tiempo parcial como explorador tecnológico en el proyecto de transferencia InCamS@BI. Dario Anselmetti explica por qué es tan importante la transferencia de la investigación: "El intercambio de conocimientos y la transferencia de los resultados de la investigación son la base para el desarrollo sostenible y a largo plazo de nuestra sociedad educativa basada en la ciencia fundamentada en hechos. Una de las principales tareas de las universidades y sus investigadores como parte de esta sociedad es no sólo publicar sus nuevos descubrimientos en revistas científicas, sino también ponerlos lo más directamente posible a disposición de las empresas, las instituciones públicas y la sociedad civil", afirma el Vicerrector de Estudios y Docencia de la Universidad de Bielefeld. Sólo así sería posible aplicar los conocimientos en productos y servicios innovadores y contribuir así a fortalecer la economía y crear nuevos puestos de trabajo orientados al futuro. "Hoy en día, hace tiempo que hemos reconocido que nuestro estilo de vida, que a menudo sigue siendo demasiado intensivo en recursos, está poniendo en peligro nuestra propia subsistencia, por lo que el hombre mismo se ha convertido en una especie de factor geológico. Una expresión de ello es la contaminación de nuestro medio ambiente con microplásticos, apenas reconocida hace diez años. Encontrar soluciones innovadoras, es decir, rápidas y viables, es todo un reto y, desde el punto de vista científico, sumamente apasionante. Y aquí es donde entra en juego el trabajo de Tim Baumann", explica el experto. Su estudiante de doctorado, Baumann, experto en microfluidos, añade: "Como científico, no quiero evitar los retos, quiero investigarlos".

El objetivo es la aplicación a gran escala en depuradoras, electrodomésticos y plantas de procesamiento

Baumann está convencido: "En este trabajo hay que darse cuenta de que todo empieza con un problema y acaba con uno nuevo". Si el sistema de filtrado funciona con propiedades mejoradas en el laboratorio, la tecnología debe llegar, por supuesto, a la aplicación. El sueño de Baumann es seguir investigando los filtros hasta que puedan utilizarse realmente en depuradoras de aguas residuales, lavadoras o lavavajillas, plantas de reciclaje o como filtros de entrada para tuberías de agua domésticas. "Quizá entonces cree una empresa, ¿quién sabe?", se pregunta. Su gran objetivo es desarrollar una solución buena y asequible para uso masivo que maximice el rendimiento y extraiga una amplia gama de tamaños de partículas. Si en el futuro también se pueden filtrar partículas del rango micrométrico más pequeño, también son concebibles aplicaciones distintas de los microplásticos, por ejemplo como filtros de agua potable contra microorganismos.

A Baumann le sigue fascinando el hecho de que "la naturaleza a menudo aporta la solución a los problemas que la afectan"; sin el ejemplo de las mantarrayas gigantes, es posible que a la investigación ni siquiera se le hubiera ocurrido esta idea. Al fin y al cabo, si los filtros de Baumann pueden utilizarse en algún momento y menos microplásticos acaban en el medio marino, no sólo nos beneficiaremos los humanos, sino también las mantarrayas gigantes.