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Reinventare la fotosintesi

PASADENA – Da decenni lo sviluppo dell’energia rinnovabile e i dibattiti politici che battono su questo argomento si focalizzano soprattutto sulla generazione di elettricità. Ma oltre il 60% dell’energia mondiale viene fornita direttamente dai combustibili chimici (soprattutto fossili), senza conversione intermedia all’elettricità. Nessun intervento realistico per combattere il riscaldamento globale tagliando le emissioni di carbonio può ignorare questo limite fondamentale.

In effetti, negli Stati Uniti e in altri Paesi industrializzati, molte applicazioni che si affidano ai combustibili fossili (come il trasporto aereo o la produzione di alluminio) non possono essere riconfigurate per utilizzare l’energia elettrica. Inoltre, anche i combustibili fossili servono per produrre elettricità, sia per soddisfare la domanda sia per compensare l’intermittenza dei sistemi di energia rinnovabile come l’energia eolica o solare. Esiste davvero un’alternativa fattibile a basso contenuto di carbonio?

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Un approccio promettente è la fotosintesi artificiale, che si avvale di materiali non biologici per produrre combustibili direttamente dalla luce solare. Il sole è una fonte di energia quasi inesauribile, mentre l’energia immagazzinata sotto-forma di legami chimici – come quelli trovati nei combustibili fossili – è accessibile, efficace e conveniente. La fotosintesi artificiale combina queste peculiarità in una tecnologia concreta che promette sicurezza energetica, sostenibilità ambientale e stabilità economica.

Se da un lato la fotosintesi naturale fornisce un piano complesso ed elegante per la produzione di combustibili fossili partendo dalla luce solare, dall’altro implica significativi limiti di performance. Viene utilizzato all’incirca solo un decimo dell’energia di picco solare; le efficienze di conversione energetica nette annue sono inferiori all’1%; significative quote di energia vengono spese internamente per rigenerare e mantenere la preziosa macchina molecolare della fotosintesi; e l’energia viene conservata in combustibili chimici che sono incompatibili con gli esistenti sistemi energetici.

Tuttavia, la fotosintesi artificiale, che trae ispirazione dalla propria variante naturale, ha dimostrato un potenziale per performance nettamente superiori e fornisce energia in una forma che può essere utilizzata nella nostra corrente infrastruttura energetica. Inoltre un sistema completamente artificiale non richiederebbe terreno arabile o acqua potabile, né costringerebbe a una scelta tra produzione di generi alimentari e combustibili nell’utilizzo del suolo.

Le esistenti tecnologie per l’energia possono essere già combinate per generare combustibili chimici in modo efficiente, pur indirettamente, dalla luce solare, ma non ancora in una configurazione che sia contemporaneamente pratica, misurabile ed economicamente attuabile. In modo analogo, la generale efficienza di un sistema completamente integrato di conversione energetica da luce solare a combustibile può essere oltre dieci volte superiore a quella dei sistemi biologici più efficienti dal punto di vista energetico, ma i costi di capitale sono troppo elevati per la diffusione commerciale. La massima priorità dei ricercatori deve quindi essere quella di sviluppare un generatore a combustione solare in grado di combinare scalabilità a costi contenuti con robustezza e efficienza.

La chiave per creare un sistema di questo tipo risiede nell’uso di sostanze abbondanti in natura in grado di assolvere alle essenziali funzioni di assorbire la luce e catalizzare le reazioni chimiche necessarie per la formazione del combustibile. Proprio come la clorofilla serve ad assorbire la luce nella fotosintesi naturale, materiali adeguati servono a catturare e convertire la luce solare in sistemi artificiali. Sebbene le proprietà di assorbimento della luce del silicone siano adatte ai dispositivi fotovoltaici, i quasi 0.5 volt che genera sono troppo deboli per scindere l’acqua in un generatore a combustibile solare.

Un sistema artificiale richiede altresì catalizzatori in grado di consentire l’efficiente produzione di combustibili chimici. Questi catalizzatori devono essere altamente attivi, stabili e, per la scalabilità globale, composti da elementi abbondanti in natura come acciaio, nickel o cobalto, e non gli scarsi metalli ora impiegati, come rutenio o iridio.

Inoltre, i componenti del sistema devono essere integrati in un modo atto a garantire il funzionamento ottimale di tutti i componenti in comuni condizioni operative. Un sistema accessibile deve anche incorporare architetture, processi produttivi e metodi di installazione economicamente vantaggiosi.

La cosa più importante: questi sistemi devono funzionare in tutta sicurezza. Nella maggior parte delle implementazioni di fotosintesi artificiale, i combustibili ricchi di energia sono coprodotti con l’ossigeno, producendo pericolosi mix esplosivi. Le membrane o altre barriere fisiche o chimiche devono essere sviluppate in modo tale da isolare i prodotti tra loro in modo efficace. Tali partizioni eliminerebbero altresì la necessità di complessi processori per la gestione delle periferiche che nella maggior parte delle applicazioni sarebbero necessarie per separare i prodotti prima dell’uso.

Quindi, che aspetto avrebbe un sistema di fotosintesi artificiale? La forma non è quella di un pannello solare collegato a un’unità di elettrolisi, quanto piuttosto quella di un sottile rullo di strati schiacciati simili alla plastica, un po’ come i materiali altamente performanti presenti nelle giacche antipioggia, che possono essere srotolati secondo le necessità. Il materiale superiore assorbirebbe l’acqua e il diossido di carbonio dell’aria, quello sottostante, lo strato per l’assorbimento della luce solleciterebbe l’energia solare a produrre il combustibile. Separato dalla membrana, il combustibile non sarebbe lasciato all’aria ma verrebbe espulso attraverso il fondo del materiale in un serbatoio di raccolta da usare all’occorrenza nella nostra esistente infrastruttura di fornitura energetica.

Idealmente, la generazione di combustibile solare dovrebbe offrire flessibilità nelle tipologie di combustibili chimici che possono essere prodotti a partire dalla luce solare. Nella sua manifestazione più semplice, l’acqua viene scissa in idrogeno e ossigeno. L’idrogeno potrebbe essere convertito in un combustibile liquido migliorando i biocombustibili, ad esempio, o potrebbe fare reazione con il diossido di carbonio a partire dal gas di scarico o trattato altrimenti per produrre combustibili liquidi per l’uso in applicazioni legate al trasporto. In alternativa, i catalizzatori, come nei sistemi di fotosintesi naturale, potrebbero direttamente ridurre il diossido di carbonio, in questo caso in metanolo o metano. I sistemi più efficienti sarebbero in grado di offrire combustibili sia gassosi che liquidi.

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Traduzione di Simona Polverino