Fotosintesi artificiale: la tecnologia due in uno che potrebbe salvare il pianeta
Fotosintesi: meccanismo fondamentale per la vita su questo pianeta, flagello degli studenti di biologia del GCSE, e ora un potenziale modo per combattere il cambiamento climatico. Gli scienziati stanno lavorando duramente per sviluppare un metodo artificiale che imiti il modo in cui le piante usano la luce solare per trasformare la CO2 e l'acqua in qualcosa che possiamo usare come combustibile. Se funziona, sarà per noi uno scenario vincente: non solo beneficeremo dell'energia rinnovabile prodotta in questo modo, ma potrebbe anche diventare un modo importante per ridurre i livelli di CO2 nell'atmosfera.
Tuttavia, le piante hanno impiegato miliardi di anni per sviluppare la fotosintesi e non è sempre un compito facile replicare ciò che accade in natura. Al momento, i passaggi fondamentali della fotosintesi artificiale funzionano, ma non in modo molto efficiente. La buona notizia è che la ricerca in questo campo sta accelerando e ci sono gruppi in tutto il mondo che stanno facendo passi avanti per sfruttare questo processo integrale.
Fotosintesi in due fasi
La fotosintesi non riguarda solo la cattura della luce solare. Una lucertola che fa il bagno al sole caldo può farlo. La fotosintesi si è evoluta nelle piante come un modo per catturare e immagazzinare questa energia (il bit "foto") e convertirla in carboidrati (il bit "sintesi"). Le piante utilizzano una serie di proteine ed enzimi alimentati dalla luce solare per rilasciare elettroni, che a loro volta vengono utilizzati per convertire la CO2 in carboidrati complessi. Fondamentalmente, la fotosintesi artificiale segue gli stessi passaggi.
"Nella fotosintesi naturale, che fa parte del ciclo naturale del carbonio, abbiamo luce, CO2 e acqua che entrano nella pianta e la pianta produce zucchero", spiega Phil De Luna, un dottorando che lavora presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica presso l'Università di Toronto. “Nella fotosintesi artificiale, utilizziamo dispositivi e materiali inorganici. L'effettiva porzione di raccolta solare è effettuata da celle solari e la porzione di conversione di energia è effettuata da [reazioni elettrochimiche in presenza di] catalizzatori.
Ciò che attrae davvero questo processo è la capacità di produrre carburante per lo stoccaggio di energia a lungo termine. Questo è molto di più di ciò che le attuali fonti di energia rinnovabile possono fare, anche con la tecnologia emergente delle batterie. Se non c'è il sole o se non è una giornata ventosa, ad esempio, i pannelli solari e i parchi eolici smettono semplicemente di produrre. "Per lo stoccaggio stagionale prolungato e lo stoccaggio in combustibili complessi, abbiamo bisogno di una soluzione migliore", afferma De Luna. "Le batterie sono ottime per tutti i giorni, per i telefoni e persino per le auto, ma non utilizzeremo mai un [Boeing] 747 con una batteria".
Sfide da risolvere
Quando si tratta di creare celle solari – il primo passo nel processo di fotosintesi artificiale – abbiamo già la tecnologia in atto: i sistemi di energia solare. Tuttavia, gli attuali pannelli fotovoltaici, che sono tipicamente sistemi basati su semiconduttori, sono relativamente costosi e inefficienti rispetto alla natura. È necessaria una nuova tecnologia; uno che spreca molta meno energia.
Gary Hastings e il suo team della Georgia State University, Atlanta, potrebbero essersi imbattuti in un punto di partenza osservando il processo originale nelle piante. Nella fotosintesi, il punto cruciale coinvolge lo spostamento di elettroni su una certa distanza nella cellula. In termini molto semplici, è questo movimento causato dalla luce solare che viene successivamente convertito in energia. Hastings ha mostrato che il processo è molto efficiente in natura perché questi elettroni non possono tornare alla loro posizione originale: "Se l'elettrone torna da dove è venuto, allora l'energia solare è persa". Sebbene questa possibilità sia rara nelle piante, accade abbastanza frequentemente nei pannelli solari, il che spiega perché sono meno efficienti di quelli reali.
Hastings ritiene che questa "ricerca possa far progredire le tecnologie delle celle solari relative alla produzione di sostanze chimiche o combustibili", ma è pronto a sottolineare che questa è solo un'idea al momento e che è improbabile che questo progresso avvenga in tempi brevi. "In termini di fabbricazione di una tecnologia di celle solari completamente artificiale progettata sulla base di queste idee, credo che la tecnologia sia più lontana in futuro, probabilmente non entro i prossimi cinque anni anche per un prototipo".
Un problema che i ricercatori ritengono che siamo vicini alla risoluzione riguarda la seconda fase del processo: convertire la CO2 in carburante. Poiché questa molecola è molto stabile e richiede un'incredibile quantità di energia per romperla, il sistema artificiale utilizza catalizzatori per ridurre l'energia richiesta e aiutare ad accelerare la reazione. Tuttavia, questo approccio porta con sé una serie di problemi. Ci sono stati molti tentativi negli ultimi dieci anni, con catalizzatori a base di manganese, titanio e cobalto, ma l'uso prolungato si è rivelato un problema. La teoria può sembrare buona, ma smettono di funzionare dopo poche ore, diventano instabili, rallentano o innescano altre reazioni chimiche che possono danneggiare la cellula.
Ma una collaborazione tra ricercatori canadesi e cinesi sembra aver fatto centro. Hanno trovato un modo per combinare nichel, ferro, cobalto e fosforo per lavorare a un pH neutro, il che rende notevolmente più semplice il funzionamento del sistema. "Dal momento che il nostro catalizzatore può funzionare bene con un elettrolita a pH neutro, necessario per la riduzione della CO2, possiamo eseguire l'elettrolisi della riduzione della CO2 in un sistema privo di membrana, e quindi la tensione può essere ridotta", afferma Bo Zhang, di il Dipartimento di Scienze Macromolecolari della Fudan University, Cina. Con un'impressionante conversione di energia elettrica-chimica del 64%, il team è ora detentore del record con la massima efficienza per i sistemi di fotosintesi artificiale.
"Il problema più grande con ciò che abbiamo in questo momento è la scala"
Per i loro sforzi, la squadra ha raggiunto le semifinali nel NRG COSIA Carbon XPRIZE, che potrebbe vincere loro $ 20 milioni per la loro ricerca. L'obiettivo è "sviluppare tecnologie innovative che convertano le emissioni di CO2 delle centrali elettriche e degli impianti industriali in prodotti di valore" e con i loro sistemi di fotosintesi artificiale migliorati, hanno buone possibilità.
La prossima sfida è il ridimensionamento. “Il problema più grande con ciò che abbiamo in questo momento è la scala. Quando ingrandiamo, finiamo per perdere efficienza", afferma De Luna, che è stato anche coinvolto nello studio di Zhang. Fortunatamente, i ricercatori non hanno esaurito il loro elenco di miglioramenti e ora stanno cercando di rendere i catalizzatori più efficienti attraverso diverse composizioni e diverse configurazioni.
Vincere su due fronti
C'è sicuramente ancora spazio per miglioramenti sia a breve che a lungo termine, ma molti ritengono che la fotosintesi artificiale abbia il potenziale per diventare uno strumento importante come tecnologia pulita e sostenibile per il futuro.
“È incredibilmente eccitante perché il campo si sta muovendo così velocemente. In termini di commercializzazione, siamo al punto di svolta", afferma De Luna, aggiungendo che, se funzionerà, "dipenderà da molti fattori, tra cui la politica pubblica e l'adozione da parte dell'industria di accettare la tecnologia delle energie rinnovabili. .”
Fare la scienza giusta è davvero solo il primo passo, quindi. Sulla scia di ricerche di artisti come Hastings e Zhang, arriverà la mossa cruciale per assorbire la fotosintesi artificiale nella nostra strategia globale sulle energie rinnovabili. La posta in gioco è alta. Se riuscirà, vinceremo su due fronti: non solo la produzione di combustibili e prodotti chimici, ma anche la riduzione della nostra impronta di carbonio nel processo.
