Una "foglia bionica" trasforma l'energia solare in combustibile e composti chimici


    La fotosintesi clorofilliana è il processo biochimico tramite il quale le piante verdi e i batteri fotosintetici producono sostanze organiche partendo dall’acqua e dall’anidride carbonica attraverso l’utilizzo dell’energia solare. Tale sistema ha permesso lo sviluppo della vita sulla superficie terrestre tuttavia, si tratta di un processo estremamente inefficiente dal punto di vista energetico.

    Cosa accadrebbe se riuscissimo a migliorare la fotosintesi in modo da “produrre” composti chimici o combustibili liquidi in modo da inquinare molto meno rispetto ai metodi convenzionali attualmente in uso? 

    Negli ultimi decenni i ricercatori hanno effettuato numerosi tentativi al fine di migliorare le capacità di alcuni organismi (come ad es. i batteri) di utilizzare l’energia solare per ottenere la produzione di composti chimici. Nonostante gli sforzi dei ricercatori i risultati ottenuti sono stati insoddisfacenti per le applicazioni pratiche. Il mio gruppo di ricerca ha cercato di comprendere in che modo una foglia converte l’energia solare per svilupparsi. Abbiamo sviluppato quindi un processo biologico che “produce” composti chimici e combustibili direttamente dalle celle solari. Questo dovrebbe farci cambiare prospettiva nei confronti dell’energie rinnovabili.

    Fotosintesi 101

    Suddividendo in più reazioni chimiche la fotosintesi, risulta chiaro che una reazione è la chiave di tutto il processo: l’elettrolisi dell’acqua. L’elettrolisi dell’acqua è il processo mediante il quale le molecole dell’acqua vengono scisse in idrogeno (H2) e ossigeno (O2) gassosi. Fortunatamente il prof. Daniel Nocera dell’Università di Harvard ha già realizzato un catalizzatore, una foglia artificiale, in grado di scindere l’acqua nei suoi elementi base. Nonostante esistano già numerosi catalizzatori la foglia artificiale in questione è speciale per diversi motivi: innanzitutto è realizzata con materiali a basso costo, funziona con un pH neutro (ad es. l'acqua di rubinetto) e normali pannelli solari. Pertanto, la foglia artificiale è in grado di scindere le molecole dell’acqua attraverso la sorgente di energia più abbondante presente in natura: la luce solare. La foglia artificiale è in grado di “estrarre” idrogeno e ossigeno gassosi dall’acqua, elementi interessanti per essere utilizzati come combustibili per gli autoveicoli del futuro. Senza infatti un aumento considerevole delle stazioni di rifornimento a idrogeno o la realizzazione di linee di distribuzione dell’idrogeno per uso domestico tali combustibili resteranno limitati ad un uso prettamente di nicchia. Considerate tali premesse sarà pertanto difficile immaginare che l’idrogeno sostituisca nel medio termine i combustibili fossili.

    Il potere dei microbi

    Abbiamo deciso di unire l’idrogeno, un combustibile innovativo, con quello che consideriamo una vecchia conoscenza per noi ricercatori: i batteri. Il Ralstonia eutropha è un batterio del suolo in grado di crescere principalmente grazie all’afflusso di idrogeno e anidride carbonica. Noi riteniamo che sia possibile far crescere il Ralstonia attraverso l’idrogeno prodotto dalla foglia artificiale e, grazie a tale crescita, ottenere i prodotti da noi desiderati: un combustibile liquido o un composto chimico.

    Il sistema soprannominato anche "foglia bionica", converte la luce solare in elettricità per mezzo di un pannello solare fotovoltaico. L’elettricità raggiunge una fiala di vetro contenente un liquido nel quale sono immersi sia i batteri Ralstonia sia il catalizzatore per l’elettrolisi dell'acqua (immagine 1).

    The concept: a solar-powered fuel or chemical factory. Brendan Cruz Colón, Author providedImmagine 1: un combustibile "prodotto" dall'energia solare o una fabbrica di prodotti chimici. Credits: Brendan Cruz Colón.

    Il sistema funziona in questo modo: l'elettricità alimenta il catalizzatore che genera O2 e H2 mentre i batteri Ralstonia consumano l’idrogeno insieme all’anidride carbonica per moltiplicarsi (immagine 2). In laboratorio, abbiamo pompato la CO2 presente in un contenitore; mentre per un uso commerciale potremmo utilizzare le emissioni di anidride carbonica provenienti da una sorgente inquinante, ad esempio una centrale elettrica. Allo stesso modo delle piante, la foglia bionica trasforma la luce solare in “biomassa” o materiale biologico. Con il nostro sistema siamo in grado di produrre alcool isopropilico, un composto che può essere impiegato per la produzione di biocombustibili. Mentre le piante convertono la luce solare in biomassa con un’efficienza di circa l’1% la foglia bionica riesce a raggiungere in tale conversione un valore di efficienza del 3,2%. Il fattore chiave di tale efficienza è caratterizzato dall’aumento della quantità di luce catturata dai pannelli solari per effettuare l’elettrolisi dell’acqua. I pannelli solari fotovoltaici funzionano come una sorta di amplificatore rendendo così disponibile un valore di energia solare per la colonia di batteri più alto di quello ottenibile da una normale pianta. Oltre ad avere una maggiore efficienza il dispositivo unisce il meglio di ogni tecnologia. I pannelli solari sono ottimi per raccogliere la luce del sole tuttavia, la sfida più grande è immagazzinare l’energia; inoltre, i pannelli solari non sono progettati per produrre composti chimici. I microbi invece possono produrre un ampio spettro di composti preziosi ma richiedono un apporto costante di “cibo” (idrogeno, luce solare e CO2) per crescere e svilupparsi. Combinando insieme queste tecnologie e l'uso dell’energia solare siamo in grado di fornire le molecole necessarie ai batteri Ralstonia per crescere e produrre composti chimici.

    Schema of bionic leaf process. Author provided.Immagine 2: schema del processo di funzionamento della foglia bionica. Credits: Brendan Cruz Colón.

    Il potenziale per ottenere potenziale energia

    Abbiamo cercato di capire se la foglia artificiale poteva realmente essere utilizzata per produrre composti chimici. Nell’esperimento che abbiamo condotto abbiamo effettuato la sintesi dell’isopropanolo impiegando un ceppo di Ralstonia modificato dal gruppo di ricercatori guidato dal prof. Anthony J. Sinskey del MIT. I risultati hanno fornito la prova della capacità di sintesi chimica della nostra foglia bionica. La foglia artificiale è stata progettata con l’idea di avere l’energia tagliata su misura per ogni utente. L’infrastruttura attualmente utilizzata per i combustibili liquidi è fortemente centralizzata e ottimizzata per i combustibili fossili; sarà pertanto molto difficile nel prossimo futuro modificare le raffinerie e i gasdotti per consentire l’utilizzo di altri tipi di combustibili. La foglia bionica ha comunque il potenziale per diventare una sorgente di energia decentralizzata al di fuori della rete energetica convenzionale.

    Un tipo di bioreattore portatile ad energia solare potrebbe, se prodotto in quantità sufficiente, garantire l’erogazione dell’energia a una popolazione in caso di attacco terroristico. La foglia bionica potrebbe inoltre essere usata come sorgente di energia nelle nazioni che non hanno grandi infrastrutture per i combustibili liquidi. Abbiamo per il momento soltanto sfiorato il potenziale della foglia artificiale. SIamo convinti che attraverso la biologia potremmo teoricamente sintetizzare un vasto spettro di composti chimici. Ad esempio il batterio Ralstonia eutropha è già in grado di produrre naturalmente bioplastica in grandi quantità. Attraverso l’ingegneria genetica potremmo quindi immaginare la sintesi di prodotti chimici e materiali speciali attraverso l'utilizzo dell’energia solare e di colonie di specifici batteri. Da questo punto di vista la foglia bionica sarebbe più simile ad una fabbrica di composti chimici che ad un serbatoio di combustibile. Inoltre, la Ralstonia eutropha potrebbe metabolizzare un gran numero di sostanze chimiche inquinanti a tutto vantaggio del nostro ecosistema. In tale scenario il nostro sistema opportunatamente modificato potrebbe inoltre favorire la depurazione dell’acqua inquinata.



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