Fotosintesi artificiale: creato un sistema 10 volte più efficiente

Un recente studio, pubblicato sulla rivista Nature Catalysis, illustra un nuovo sistema per la fotosintesi artificiale con un’ efficienza 10 volte maggiore rispetto ai precedenti. Con la fotosintesi le piante sono in grado di convertire l’anidride carbonica e l’acqua in glucosio. Ma con il processo di fotosintesi artificiale è possibile creare metano, etanolo e altri carburanti.

Un nuovo sistema di fotosintesi artificiale

Un gruppo di sei scienziati dell’Università di Chicago ha creato un nuovo metodo per aumentare l’efficienza del processo di fotosintesi artificiale. Questo tipo di fotosintesi utilizza la luce solare per trasformare l’anidride carbonica e l’acqua in molecole organiche da cui si ottengono i carburanti. Il team di ricerca ha introdotto un’innovazione nel processo, ovvero l’utilizzo di amminoacidi. Grazie a queste molecole è stato possibile osservare un miglioramento dell’efficienza delle reazioni. Si tratta di una novità assoluta nel campo della tecnologia della fotosintesi artificiale. Ma al momento le quantità di carburante che è possibile ottenere sono minime rispetto a quelle che servirebbero per estendere il processo su larga scala. Si tratta infatti di quantità minime rispetto alle nostre attuali richieste energetiche.

L’innovazione

Negli anni sono stati progettati diversi sistemi artificiali per selezionare gli enzimi più appropriati per aumentare l’efficienza delle reazioni chimiche della fotosintesi. Lo studio dell’Università di Chicago ha utilizzato un enzima artificiale di natura metallorganica. Grazie a questo enzima è stato possibile eseguire sia la reazione di riduzione fotocatalitica dell’anidride carbonica che quella di ossidazione dell’acqua. Il processo si presta non solo alla produzione di carburanti, ma anche a settori che riguardano altre tipologie di reazioni. Ad esempio, i campi di applicazione possibili sono nella produzione di farmaci o di nylon.

La fotosintesi artificiale per produrre energia

Negli ultimi anni gli scienziati stanno lavorando per creare carburanti dalla fotosintesi, per avere un’ alternativa sostenibile di produzione dell’energia. Di recente un altro passo in avanti è stato fatto dai ricercatori dell’Istituto Officina dei Materiali (IoM) del CNR, in collaborazione con il Fritz Haber Institute della Max Planck Society di Berlino. La ricerca si è concentrata su una tecnologia di stoccaggio dell’energia ricavata dalla luce solare, partendo dal processo di elettrolisi fotochimica. In questa reazione l’energia solare scinde la molecola di acqua in idrogeno e ossigeno. L’energia del sole in questo modo si converte nell’energia chimica dei legami delle molecole che si sono formate. Quando c’è bisogno di produrre energia, basta invertire la reazione. I legami chimici quindi vengono spezzati e liberano l’energia che hanno immagazzinato in precedenza. 

Gli studi sulla fotosintesi artificiale

La fotosintesi artificiale avviene con un processo simile a quello che naturalmente avviene nelle piante. Esse sono in grado di convertire acqua e anidride carbonica in glucosio, immagazzinando l’energia solare nei legami chimici delle sostanze organiche. Lo studio del CNR-IoM ha analizzato un materiale che si presta all’utilizzo in questi processi, ovvero un ossido di ferro, l’ematite, stabile ed economico. Questo materiale è un fotocatalizzatore, perché riesce ad assorbire l’energia solare per catalizzare la reazione di ossidazione dell’acqua. Lo studio di dettaglio del processo permetterà in futuro di realizzare dispositivi sempre più efficienti per abbattere i costi della tecnologia e renderla adatta per applicazioni di larga scala. Spiega Stefano Fabris, direttore del CNR-IoM:

“La pubblicazione è il risultato di un programma di ricerca pluriennale nel campo della conversione dell’energia solare e nella produzione di idrogeno. Le riconosciute competenze dell’Istituto su questo tema saranno al centro della partecipazione ai nuovi progetti finanziati dal PNRR, con particolare riferimento al partenariato esteso sugli scenari energetici del futuro e alle applicazioni del supercalcolo del centro nazionale in High Performance Computing, Big Data e Quantum Computing”

Come avviene la fotosintesi artificiale?

Nella fotosintesi, avvengono due reazioni principali. Una è la foto-ossidazione delle  molecole di acqua per produrre ossigeno e protoni, mentre la seconda è il cosiddetto ciclo di Calvin che permette di ottenere il glucosio, a partire dalle molecole di anidride carbonica. La fotosintesi artificiale richiede l’utilizzo di fotocatalizzatori per entrambe le reazioni. L’interesse della ricerca per questo processo deriva dal fatto che, scindendo la molecola di acqua, esso permette di produrre idrogeno. Questo è tra i combustibili alternativi più promettenti per superare la dipendenza dai combustibili fossili e permettere la transizione sostenibile del mondo dell’energia. La fotosintesi artificiale sta diventando una possibile alternativa ai tradizionali processi di produzione dell’energia. Infatti, la tecnologia fotovoltaica, che permette la conversione diretta dell’energia solare in energia elettrica, è ostacolata dalla scarsa efficienza energetica e dall’intermittenza della fonte solare.

A che punto siamo?

Riprodurre la fotosintesi non è facile, per questo oggi la fotosintesi artificiale non è ancora arrivata a un punto di sviluppo degno di nota. Oggi la tecnologia si è evoluta rispetto ai primi sistemi e c’è speranza che in futuro il processo possa raggiungere risultati importanti. I sistemi utilizzati attualmente richiedono tempi molto lunghi e materiali adatti per gli elettrodi, in modo da garantire un’elevata efficienza di conversione. Esistono due principali filoni di ricerca sulla fotosintesi artificiale. Il primo è quello delle celle fotoelettrochimiche, che grazie all’elettrolisi producono idrogeno e ossigeno dall’acqua. L’idrogeno è un vettore energetico che può rendere disponibile l’energia per usi successivi. L’altra strada è quella delle celle solari sensibilizzate al colorante, dette anche celle di Gratzel, che utilizzano un semiconduttore per produrre energia, come per le celle fotovoltaiche. L’energia prodotta e i fotoelettroni vengono poi accumulati utilizzando degli speciali coloranti. 

Il futuro della fotosintesi artificiale

L’avanzamento tecnologico permetterà nei prossimi decenni di avere catalizzatori efficaci per la produzione dell’energia dalla fotosintesi. La scissione della molecola di acqua infatti permetterebbe di risolvere due problemi. Il primo è quello energetico, in quanto l’idrogeno è un ottimo combustibile, mentre il secondo è quello ambientale, per la mancata emissione di anidride carbonica. Per realizzare la fotosintesi artificiale c’è bisogno di

• un composto che funzioni da “antenna” per catturare l’energia solare
• un centro di reazione dove l’energia elettronica provoca la separazione delle cariche
• catalizzatori e membrane per le reazioni di ossidazione e riduzione dell’acqua per ricavare idrogeno e ossigeno

Un sistema di fotosintesi artificiale quindi deve essere opportunamente progettato. Occorre scegliere accuratamente i materiali per ottimizzare il processo sia dal punto di vista energetico sia per permetterlo su scale temporali compatibili con la produzione energetica.