Con il progetto della foglia artificiale, gli scienziati vogliono imitare la fotosintesi per aiutare a ridurre la nostra dipendenza dai combustibili fossili
Ogni pianta, animale e persona deve la propria vita a una sequenza di reazioni chimiche: la fotosintesi. Il processo, che converte l'acqua e l'anidride carbonica in cibo utilizzando la luce solare, si è evoluto per la prima volta nei cianobatteri più di 2 miliardi di anni fa. Le piante non sono state i primi organismi a sviluppare la fotosintesi, anche se sono meglio conosciute per questo. I cianobatteri originariamente riempivano l'atmosfera con il sottoprodotto gassoso della fotosintesi, l'ossigeno (O2), che ha posto le basi per praticamente tutta la vita vegetale e animale.
In quanto beneficiari della fotosintesi, gli esseri umani dipendono dalle piante in una sorta di altalena di carbonio. Le piante assorbono CO2 e rilasciano O2. Conservano quel carbonio come zucchero. Viti, erba e alberi sospesi crescono tutti estraendo atomi di carbonio dall'aria. Facciamo il contrario, assorbendo O2 e rilasciando CO2. Infine, tutto ciò che mangiamo completa il trasferimento: la pianta umana (o l'animale che l'ha già fatto), l'uomo esala, la pianta immagazzina carbonio e il ciclo continua.
Questa altalena fa parte del ciclo del carbonio molto più ampio che ha influenzato l'equilibrio delle radiazioni del nostro pianeta. L'abbattimento di vaste aree forestali e la combustione di combustibili fossili a base di carbonio fanno aumentare i livelli di CO2, uno dei principali gas serra. E le piante sulla Terra insieme ad altre parti naturali del ciclo del carbonio non possono ristabilire l'equilibrio da sole.
Ma cosa accadrebbe se potessimo copiare ciò che fanno le piante: prendere parte di quella CO2 in eccesso per produrre combustibili in modo sostenibile, invece di fare così tanto affidamento sul carbonio fossile?
«La fotosintesi artificiale è un approccio davvero interessante», afferma la dottoressa Jillian Dempsey, (1) professoressa di chimica all'University of North Carolina, Chapel Hill. «Sei in grado di immagazzinare l'energia del sole nei legami di [molecole]».
Su una scala sufficientemente ampia, tali processi alimentati dal sole potrebbero fornirci abbastanza molecole che immagazzinano energia per produrre combustibili dal nulla e dall'acqua come fanno le piante e i cianobatteri.
Gli atomi di carbonio vanno avanti e indietro tra l'atmosfera e le rocce, il suolo, le piante e l'oceano attraverso processi chimici; alcuni processi sono molto lenti e altri si verificano rapidamente. Questo scambio costante è chiamato ciclo del carbonio. Le attività umane hanno interrotto l'equilibrio naturale di questo ciclo utilizzando combustibili fossili un tempo sepolti, che altrimenti avrebbero mantenuto una grande quantità di carbonio sotto gli strati della Terra.
Le piante lo fanno sembrare facile
Anche se si è tentati di cancellare la fotosintesi come una semplice reazione - CO2 e H2O entrano, una foglia si nutre e l'O2 esce - la chimica che si verifica è sorprendentemente complessa. È una danza di protoni, elettroni e macchinari biologici che hanno avuto milioni di anni per evolversi. Quel macchinario recide i legami forti in H2O e CO2 per costruire molecole più complesse, come il glucosio (C6H12O6).
Ciò che le equazioni non mostrano è quello che stimola le reazioni: i catalizzatori, che abbassano l'energia di attivazione delle trasformazioni chimiche. Dal momento che riducono l'energia di attivazione necessaria per rompere e formare i legami giusti, i catalizzatori della fotosintesi stanno fondamentalmente eseguendo la dinamica. La produzione di zuccheri complessi dalla CO2 non sarebbe fattibile senza di loro. E mentre la natura ha avuto miliardi di anni per perfezionare il processo, i ricercatori sono riusciti a costruire piccoli dispositivi che non solo imitano la fotosintesi naturale, ma la superano in pochi decenni.
Fotosintesi 2.0
Diamo un'occhiata al ruolo svolto dalla catalisi nella fotosintesi. In primo luogo, le piante assorbono la luce solare nei loro cloroplasti, che sono organelli che si trovano nelle cellule delle piante e delle alghe. All'interno dei cloroplasti ci sono pigmenti di clorofilla che assorbono principalmente le lunghezze d'onda della luce rosse e blu, ma non verdi (quindi il loro colore). Questa energia assorbita alimenta le reazioni chimiche della pianta.
La fotosintesi artificiale ha bisogno di una propria versione della clorofilla. Per trovare sostanze che agiscano come clorofilla in una foglia artificiale, gli scienziati stanno testando pigmenti naturali, coloranti sintetici o altri materiali, come film semiconduttori e particelle che assorbono la luce visibile.
Nelle piante, una volta assorbita la luce, una complicata catena di catalizzatori biologici (cioè gli enzimi) effettua reazioni in un ordine preciso per creare combustibili come il glucosio. Una sequenza di reazioni, chiamata fotofosforilazione, (2) crea energia biologica, utilizzando l'energia della luce solare e del fosforo per trasformare l'adenosina difosfato (ADP) di una pianta nelle molecole di adenosina trifosfato (ATP) più energetiche. L'altro, chiamato ciclo di Calvin, (3) utilizza quell'ATP per costruire molecole complesse come il glucosio dalla semplice CO2.
Ogni fase di entrambe le operazioni si basa su enzimi unici. Ma i chimici non possono semplicemente prendere quegli enzimi esatti, incollarli su alcuni pannelli solari e aspettarsi che producano combustibili. Gli enzimi possono mantenere la loro struttura e reattività solo nelle condizioni biologiche specifiche che si trovano all'interno delle cellule. Inoltre, gli scienziati vogliono fare anche meglio di quegli enzimi naturali.
«L'obiettivo della fotosintesi artificiale è di essere ispirato da alcuni di questi fenomeni naturali, ma progettarlo con componenti che la pianta non ha a disposizione, come catalizzatori inorganici e semiconduttori, e realizzare un processo simile che sia molto più efficiente», afferma il dottor Josh Spurgeon, (4) ricercatore sui combustibili solari presso il Conn Center for Renewable Energy Research dell'University of Louisville.
Invece di produrre glucosio, i ricercatori vogliono produrre combustibili, come l'etanolo, che le nostre tecnologie basate sull'energia possono utilizzare. In alternativa, alcune tecnologie a foglia artificiale non richiedono CO2 ma piuttosto assorbono acqua per produrre idrogeno (H2).
Il carburante più semplice
L'energia di una cella a combustibile deriva dalla combustione di H2, un processo che non produce emissioni di carbonio: la sua unica emissione è H2O. Oggi, la maggior parte dell'H2 è prodotta dal metano (CH4) in un processo che emette CO2. Se gli scienziati riuscissero a capire come produrre H2 utilizzando la luce solare in modo conveniente, i combustibili a idrogeno sarebbero più sostenibili.
«Se metto solo una tazza d'acqua al sole, non si trasformerà spontaneamente in idrogeno e ossigeno», afferma il professor Dempsey, che progetta catalizzatori per la produzione di combustibile solare.
Catalizzatori come l'ossido di ferro e il platino sono particolarmente efficaci nelle reazioni di O2 e H2. Per la metà dell'ossigeno della reazione, dice Josh Spurgeon, la progettazione di un catalizzatore economico, efficiente e stabile è stata dura. «Se lo fai in acido, dove molta elettrolisi dell'acqua è più efficiente, ci sono davvero solo un paio di materiali che funzionano», dice lo scienziato. L'ossido di iridio è comunemente usato poiché è il più efficace. Ma l'iridio è anche uno degli elementi più rari sulla Terra.
Il laboratorio del dottor Josh Spurgeon sta lavorando per sostituire l'iridio con alternative abbondanti sulla Terra, come tungsteno o tantalio.
Costruire con elementi naturalmente abbondanti rende le tecnologie nel complesso meno costose. L'elemento rodio, ad esempio, è spesso utilizzato nei convertitori catalitici delle auto e in alcuni modelli di scissione dell'acqua, ma è raro. «Quindi scegliere qualcosa come il cobalto rispetto al rodio ha un chiaro vantaggio economico in termini di realizzazione di queste soluzioni convenienti», afferma Dempsey.
Studiando nuovi elementi e ibridi cristallini di catalizzatori multipli, gli scienziati stanno spingendo i confini di ciò che è possibile per la fotosintesi artificiale. «La catalisi ci dà accesso a trasformazioni chimiche apparentemente impossibili», afferma Jillian Dempsey.
Produrre combustibili di carbonio
L'etanolo, (C2H5OH), costituisce in genere il 10% del gas che si pompa nella maggior parte delle auto. Alcune auto a carburante flessibile possono gestire fino all'85% di C2H5OH.
Oggi, la maggior parte dell'etanolo negli Stati Uniti proviene dalla fermentazione dei raccolti, che dipendono da molta terra, acqua ed energia dai combustibili fossili per crescere. È qui che entrano in gioco i ricercatori sulle foglie artificiali. Sono catalizzatori ingegneristici per produrre etanolo e butanolo (C4H9OH) in un modo più sostenibile. Gli usi del butanolo sono simili a quelli dell'etanolo.
«Per costruire carboidrati o etanolo o butanolo», afferma Dempsey, «dobbiamo coreografare attentamente il modo in cui i protoni e gli elettroni vengono riassemblati». Per trasformare un paio di molecole di CO2 in C2H5OH è necessario mescolare circa 12 H+ [protoni] e 12 elettroni.
La cosa straordinaria è che queste coreografie chimiche funzionano. Entra luce, CO2 e acqua; esce carburante. E in un certo senso, i chimici hanno progettato catalizzatori per rendere questi combustibili più efficienti di quanto le piante producano zuccheri.
«Si scopre che la fotosintesi naturale non è in realtà un processo così efficiente», afferma Dempsey. Solo l'1% circa dell'energia solare che colpisce un impianto si trasforma in energia combustibile. L'efficienza delle tecnologie delle foglie artificiali può superare il 20%.
Ciò non significa che la fotosintesi artificiale copi la fotosintesi naturale in tutti gli aspetti. Gli impianti sono meno efficienti, ma producono combustibili più complessi con maggiore precisione rispetto ai dispositivi artificiali. «Alcuni di questi sistemi che stanno mostrando risultati promettenti fanno un sacco di cose: 12 prodotti diversi mescolati insieme», afferma Dempsey. Molecole come metano, monossido di carbonio, acido formico ed etilene potrebbero formarsi in reazioni collaterali indesiderate.
Idealmente, tutti gli elettroni sarebbero incanalati sugli atomi o sulle molecole corretti. Ma la CO2 e i suoi sottoprodotti di riduzione finiscono per competere tra loro e con l'idrogeno. «Ci sono molti modi in cui la chimica può andare», afferma Spurgeon. «Vuoi mantenere bassa l'evoluzione dell'idrogeno e ottenere abbastanza di quei carboni l'uno accanto all'altro da poter formare legami carbonio-carbonio e creare prodotti multicarbonio». In altre parole, è difficile fermare la reazione alla formazione di CC: vuole passare alla CO2 o ad altri prodotti energeticamente favorevoli.
Attualmente, la sfida principale nella ricerca sui catalizzatori riguarda la progettazione di materiali che accelerino reazioni specifiche e producano solo i prodotti che desideriamo. «Siamo arrivati al punto in cui gli scienziati hanno condotto abbastanza studi preliminari per sapere che ciò che stiamo proponendo è realizzabile», afferma Dempsey.
Fare una foglia artificiale
Quindi, che aspetto avrebbe effettivamente un dispositivo con foglie artificiali?
«Sostanzialmente assomiglia a questa struttura a sandwich: gli strati di catalizzatore stanno a sandwich con il fotoassorbitore», afferma il dottor Peter Agbo, (5) uno scienziato del personale del Lawrence Berkeley National Laboratory che lavora con il Joint Center for Artificial Photosintesi.
Anche i dispositivi esistenti sono piccoli. Un dispositivo a idrogeno con un'efficienza del 12,6% che il dottor Agbo ha recentemente costruito aveva un diametro inferiore a un pollice. Affinché la fotosintesi artificiale diventi pratica, è necessario produrre combustibili su larga scala per competere con l'attuale fornitura energetica mondiale di combustibili fossili relativamente economici e abbondanti.
L'obiettivo finale dei fotoassorbitori è un materiale efficiente, stabile e durevole. Spurgeon ritiene che il giusto equilibrio verrà da un ibrido di tecnologie, utilizzando microparticelle stabili come il silicio, ad esempio, in combinazione con semiconduttori III-V efficienti, come il nitruro di indio gallio.
Un'azienda chiamata Twelve (6) ha recentemente sviluppato una "foglia nera lucida che mangia carbonio". I loro prodotti trasformano la CO2 in acido formico (H2 CO2). Altri laboratori si concentrano sulla produzione di etanolo. Ma l'efficienza di tutti questi prodotti è in ritardo rispetto ai dispositivi a idrogeno. (Una combinazione all'avanguardia di dispositivi fotovoltaici ed evoluzione dell'idrogeno - non un dispositivo autonomo [trattino aggiunto] a foglia artificiale [trattino aggiunto] - ha raggiunto un'efficienza totale ben superiore al 30% utilizzando materiali costosi.)
Quindi, l'aumento della fotosintesi artificiale è ancora lontano, ma si sta muovendo.
«Abbiamo identificato le sfide scientifiche fondamentali», afferma Jillian Dempsey. «Stiamo imparando a mettere insieme i diversi pezzi».
Ciò che alla fine potrebbe portare la tecnologia oltre il traguardo è un altro ritorno alla natura, ma questa volta, invece di copiarla, gli scienziati vogliono usarla. Ad esempio, gli ingegneri dell'Università dell'University of California, Berkeley, hanno recentemente combinato nanoparticelle con batteri viventi non fotosintetici.
Il loro microbo preferito, Moorella thermoacetica, riduce naturalmente la CO2 per produrre una piccola quantità di acido acetico (CH3 COOH). Quando i ricercatori hanno alimentato i batteri con minuscoli grappoli di atomi d'oro e li hanno esposti alla luce solare, i grappoli d'oro sono stati in grado di estrarre elettroni dall'amminoacido cisteina e inviarli agli enzimi del microbo. Gli elettroni hanno interagito con gli enzimi dell'insetto, il che ha spronato i batteri a produrre molto più acido acetico dalla CO2 di quanto avrebbero normalmente. L'acido acetico può quindi essere utilizzato per produrre combustibili e altre sostanze chimiche preziose.
Ci vorrà molto tempo e denaro prima che la fotosintesi artificiale possa competere con i combustibili fossili. Ma l'investimento necessario non si avvicinerà al costo sociale del cambiamento climatico. Un recente sondaggio condotto su oltre 2.000 economisti ha previsto che i danni economici causati dai cambiamenti climatici raggiungeranno 1,7 trilioni di dollari all'anno entro il 2025 e circa 30 trilioni di dollari all'anno entro il 2075.
La fotosintesi artificiale potrebbe riportarci indietro verso una migliore ed equilibrata distribuzione di carbonio del pianeta.
Riferimenti:
(1) Jillian Dempsey
(3) Ciclo di Calvin
(4) Josh Spurgeon
(5) Peter Agbo
(6) Carbon Transformation | Twelve
Descrizione foto: La foglia artificiale: copiare la natura per combattere i cambiamenti climatici. - Credit: Twelve.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: The Artificial Leaf: Copying Nature to Fight Climate Change