La caccia al combustibile ideale: La fotosintesi

Un chimico dei nanomateriali ha escogitato un metodo per imitare le foglie e convertire acqua ed anidride carbonica in prodotti utili.

di Katherine Bourzac

In una soleggiata giornata presso il campus dell’Università della California, Berkeley, il pacifico frusciare degli alberi di eucalipto tradisce la furente attività chimica che avviene all’interno di ciascuna foglia. Attraverso la fotosintesi, le foglie utilizzano l’energia del sole per convertire acqua ed anidride carbonica in sostanze che servono alle piante, emettendo nel mentre ossigeno. In un laboratorio del campus, il chimico Peidong Yang sta costruendo un sistema artificiale che compie la stessa operazione utilizzando schiere di nanofili abbinate a batteri ingegnerizzati. Implementando qualcosa di simile, in scala più grande, potremmo produrre una versione migliore dei combustibili che utilizziamo oggi – una che non va ad accrescere la quantità complessiva di anidride carbonica presente nell’aria.

La fotosintesi è molto difficile da imitare in laboratorio. Negli anni ’70, alcuni ricercatori dell’Università di Tokyo avevano dimostrato per la prima volta che un dispositivo alimentato con energia solare poteva replicare la stessa operazione compiuta dalle piante nel primo passaggio della fotosintesi; separare l’acqua in idrogeno e ossigeno. Dopo la spinta iniziale, però, questo campo si era imbattuto in diversi ostacoli. Solo oggi, grazie ad una rinnovata attenzione al problema energetico e al cambiamento climatico – e allo sviluppo di nuove tecnologie – il processo sta tornando a essere analizzato in diversi laboratori nel mondo.

Il laboratorio di Yang sta migliorando un design sviluppato negli anni ’70 presso il National Renewable Energy Laboratory. Presenta due elettrodi fotosensibili rivestiti con un catalizzatore – Yang ricorre all’economico nickel – che assieme separano l’acqua in ossigeno e idrogeno. Nel setup originale, gli elettrodi erano piatti, ma Yang ha optato per schiere di nanofili in silicio e altri semiconduttori. Siccome i nanofili hanno un’area superficiale 100 volte superiore rispetto a quella degli elettrodi piatti che potrebbero occupare lo stesso spazio, è possibile trattenere una maggiore quantità del catalizzatore e, di conseguenza, incrementare notevolmente l’efficienza della reazione.

Ciononostante, la separazione dell’acqua costituisce il passaggio più semplice nel processo di fotosintesi. La piante, infatti, si spingono oltre, riuscendo a utilizzare l’idrogeno ricavato dall’acqua per scatenare reazioni che trasformano il carbonio nell’aria in molecole complesse. Yang mira a replicare questo stesso fenomeno. Dopotutto, i nostri aeroplani e le nostre vetture non vanno a idrogeno; necessitano di combustibili chimici complessi.

I batteri all’interno di questo incubatore verranno impiantati all’interno di un elettrodo per agire come un catalizzatore vivente. Foto di RC Rivera

Al fine di catalizzare quella parte del processo, Yang si affida ad un’altra tecnologia che non era disponibile negli anni ’70. Assieme ai suoi colleghi, Yang ha mostrato come batteri geneticamente modificati e raggruppati fra i nanofili possano agire da “catalizzatori viventi”. Raccolgono l’idrogeno separato dall’acqua e lo combinano con l’anidride carbonica per produrre metano ed altri idrocarburi necessari per la produzione di combustibili e plastiche. I batteri compiono questa operazione grazie a enzimi naturali che portano a compimento una serie di reazione non ancora padroneggiate dai chimici con i loro catalizzatori sintetici.

Ad oggi, l’efficienza del sistema sviluppato da Yang corrisponde a quella della fotosintesi naturale, convertendo meno dell’un percento dell’energia solare nella forma di legami chimici. Non male per una dimostrazione di concetto, ma non abbastanza per realizzare un sistema efficiente dal punto di vista economico.

Yang spera di riuscire a passare a catalizzatori sintetici al posto dei batteri, che sono più difficili da mantenere in vita. La totale rimozione dei batteri, però, potrebbe non essere necessaria, vista l’urgente necessità di sviluppare combustibili puliti. “Se dev’essere un approccio ibrido, può andare”, dice.

Immagine: Nanofili in silicio possono anche essere fatti crescere su superfici più grandi, come questo wafer in silicio, che viene tagliato in pezzi che serviranno da elettrodi per il dispositivo. Foto di RC Rivera

(MO)

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