Carburante da sole e acqua
Martedì 02 Dicembre 2008 09:58 | 
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| SCIENZA |
L’idrogeno sarà la risorsa del futuro
“Vi sto per mostrare qualcosa che non ho mai fatto vedere a nessun altro”, ha detto a maggio Daniel Nocera, docente di chimica al MIT, di fronte a una platea di scienziati e responsabili governativi del settore energetico. Ha chiesto quindi di abbassare le luci, per far partire un video. “Riuscite a vedere bene?”, ha chiesto con un tono agitato, indicando le bolle che fuoriuscivano da una striscia di materiale immerso nell’acqua.
“L’ossigeno sta defluendo da questo elettrodo”. Poi ha aggiunto, con fare sibillino: “Questo è il futuro. Abbiamo mangiato la foglia”.
Nocera stava illustrando una reazione che genera ossigeno dall’acqua allo stesso modo in cui operano le piante verdi durante la fotosintesi; una scoperta che potrebbe avere profonde implicazioni nel dibattito sulle fonti energetiche. Portata a termine con l’aiuto di un catalizzatore sviluppato da Nocera, la reazione è il primo e più impegnativo passo nella scissione dell’acqua per ottenere gas idrogeno. La generazione di grandi quantità di idrogeno dall’acqua, ritiene Nocera, permetterà di superare uno dei principali ostacoli che ancora impediscono all’energia solare di diventare la più importante fonte di elettricità: non esiste un metodo efficace dal punto di vista dei costi per immagazzinare l’energia raccolta dai pannelli solari in modo da usarla la notte o durante le giornate nuvolose.
L’energia solare è l’unica potenzialmente in grado di generare quantità considerevoli di energia pulita che non contribuiscono al riscaldamento globale. Ma senza strumenti economici per conservarla, l’energia solare non può rimpiazzare i combustibili fossili su larga scala. Nello scenario di Nocera, la luce solare dovrebbe scindere l’acqua per produrre combustibile d’idrogeno versatile e semplice da immagazzinare che potrebbe successivamente essere bruciato in un generatore a combustione interna o ricombinato con l’ossigeno in una pila a combustibile. Un’ipotesi ancora più ambiziosa sarebbe quella di utilizzare la reazione per scindere l’acqua marina; in questo caso, far scorrere l’idrogeno in una pila a combustibile dovrebbe consentire di produrre acqua fresca ed elettricità. 
Sfruttare l’energia solare imitando il processo della fotosintesi è un’idea che gli scienziati hanno cercato di far diventare realtà fin dai primi anni 1970. In particolare, hanno provato a replicare il modo in cui le piante verdi scompongono l’acqua. I chimici, ovviamente, sono già in grado si suddividere l’acqua, ma il processo richiede alte temperature, soluzioni alcaline forti o catalizzatori rari e costosi come il platino. Nocera ha invece scoperto un catalizzatore economico che produce ossigeno dall’acqua a temperatura ambiente e senza sostanze chimiche caustiche, replicando le stesse condizioni favorevoli riscontrate nelle piante. Numerosi altri promettenti catalizzatori, tra cui un altro prodotto sempre da Nocera, si potranno usare per completare il processo e produrre gas idrogeno.
Nocera ha in mente due modi diversi per sfruttare la sua scoperta. Nel primo caso, un tradizionale pannello solare dovrebbe catturare la luce del sole per produrre elettricità che, a sua volta, dovrebbe alimentare un elettrolizzatore dotato di catalizzatori per scindere l’acqua. Nel secondo caso, il sistema ricorda da vicino la struttura della foglia. I catalizzatori sarebbero schierati fianco a fianco con speciali molecole colorate destinate ad assorbire la luce solare; l’energia catturata dalle sostanze colorate dovrebbe indurre la reazione di scissione dell’acqua. In entrambi i casi, l’energia solare dovrebbe essere convertita in combustibile a idrogeno facilmente conservabile e utilizzabile di notte o quando si presenta la necessità.
Le audaci dichiarazioni di Nocera sull’importanza della sua scoperta non rientrano in genere nel tipo di affermazioni che i chimici accademici sono soliti fare di fronte ai loro pari. In effetti, alcuni esperti hanno avanzato dubbi sulla capacità del sistema di muoversi su grande scala e sulla sua economicità. Ma Nocera non mostra segni di ripensamento. “Con questa scoperta ho cambiato completamente le carte in tavola”, ha sostenuto dinanzi al pubblico a maggio. “Tutte le vecchie posizioni sono ormai fuori dal gioco”.
Il lato oscuro del solare - La luce solare è potenzialmente la più grande fonte al mondo di energia rinnovabile, ma non è chiaro ancora come sfruttarla. Non solo i pannelli solari non funzionano di notte, ma anche la produzione di giorno decresce e perde di potenza al passaggio delle nuvole. Per questa ragione molti pannelli solari – sia nelle fattorie solari costruite dalle aziende di servizi pubblici sia sui tetti delle abitazioni e delle aziende – sono collegati alla rete elettrica. Nei giorni soleggiati, quando i pannelli solari operano al picco delle capacità, i proprietari di case e le aziende possono vendere l’eccesso di energia alle utilities. In ogni caso, devono affidarsi alla rete durante la notte o quando le nuvole oscurano i pannelli.
Questo sistema funziona solo perché l’energia solare offre un modesto contributo alla produzione globale di elettricità: viene incontro a una frazione dell’un per cento della domanda totale negli Stati Uniti. Se il contributo dell’energia solare crescerà, la sua scarsa affidabilità diventerà un problema sempre più serio.
Se l’energia solare arriverà a garantire il 10 per cento dell’elettricità complessiva, le utilities dovranno decidere cosa fare quando arrivano le nuvole nei periodi di picco della domanda, afferma Ryan Wiser, uno scienziato ricercatore che studia i mercati dell’elettricità al Lawrence Berkeley National Laboratori, a Berkeley, in California. Le aziende di servizi pubblici dovranno allora affidarsi ad altri impianti di gas naturale in grado di compensare rapidamente l’energia persa o saranno costrette a investire per immagazzinare l’energia. La prima opzione è al momento la più economica, sostiene Wiser: “Conservare l’energia costa troppo”.
Ma se l’energia solare parteciperà per oltre il 20 per cento alla produzione complessiva di elettricità, continua Wiser, comincerà a contribuire al cosiddetto carico energetico di base, vale a dire la quantità di energia necessaria a sostenere la domanda minima. Questo carico energetico di base (che è ora garantito principalmente dagli impianti a carbone) deve essere garantito a un ritmo relativamente costante. L’energia solare non si può utilizzare per un simile scopo a meno che non venga conservata su larga scala per poi farne uso 24 ore al giorno, con qualsiasi condizione atmosferica.
In sostanza, senza un sistema efficace ed economico di immagazzinamento, l’energia solare difficilmente diventerà la fonte principale di elettricità. Le attuali alternative di conservazione dell’elettricità non sono praticabili su scala sufficientemente grande, afferma Nathan Lewis, professore di chimica al Caltech. Si consideri, per esempio, uno dei metodi meno costosi: l’uso dell’elettricità per pompare l’acqua in salita e poi farla scorrere attraverso una turbina per generare elettricità. Un kg di acqua pompata fino a 100 metri accumula circa un chilojoule di energia. Al confronto un kg di benzina ne possiede circa 45.000. Per immagazzinare una quantità di energia sufficiente con questa tecnica, sarebbero necessarie immense dighe e sconfinati bacini idrici da riempire e svuotare ogni giorno. Impresa particolarmente difficile in paesi come l’Arizona e il Nevada, dove la luce solare è abbondante, ma l’acqua scarseggia.
Inoltre, le batterie costano molto: altri 10.000 dollari da aggiungere al costo di sistema fotovoltaico domestico tradizionale. Anche se in via di perfezionamento, esse conservano molta meno energia di combustibili come la benzina e l’idrogeno che si mantengono sotto forma di legami chimici. Le migliori batterie accumulano circa 300 wattora di energia per kg, dice Lewis, mentre la benzina arriva a 13.000 wattora per kg. “Le cifre mostrano chiaramente che i combustibili chimici sono l’unico sistema ad alto contenuto di energia per riempire i depositi energetici”, conclude Lewis. Di questi combustibili, l’idrogeno non è solo potenzialmente più pulito della benzina, ma a parità di peso accumula molta più energia, circa tre volte di più, anche se occupa maggiore spazio perché è un gas. Il problema è riuscire a sfruttare l’energia del sole per produrre questi combustibili in modi efficienti ed economici. Per risolverlo, Nocera propone di replicare il processo di fotosintesi.
A imitazione delle piante - Nella fotosintesi reale, le piante verdi utilizzano la clorofilla per ricavare dalla luce solare l’energia che servirà loro per mettere in moto una serie di complesse reazioni chimiche per trasformare l’acqua e l’anidride carbonica in carboidrati ad alto contenuto energetico come amidi e zuccheri. Ma ciò che soprattutto interessa ai ricercatori è il primo passo del processo, in cui una combinazione di proteine e catalizzatori inorganici aiuta a scomporre efficacemente l’acqua in ioni d’idrogeno e ossigeno.
Il settore della fotosintesi artificiale è rapidamente decollato. All’inizio degli anni 1970, un dottorando dell’Università di Tokyo, Akira Fujishima, e il relatore della sua tesi, Kenichi Honda, hanno mostrato che gli elettrodi composti di diossido di titanio - un componente del pigmento bianco nelle pitture esterne – erano in grado di scomporre lentamente l’acqua se esposti a una luce intensa, a 500 watt, di una lampada allo xeno. La scoperta indicava che la luce si poteva usare per dividere l’acqua senza le piante. Nel 1974, Thomas Meyer, professore di chimica all’Università del North Carolina, a Chapel Hill, dimostrò che un colorante a base di rutenio, qualora esposto alla luce, subiva trasformazioni chimiche che gli permettevano di ossidare l’acqua o di estrarne elettroni, vale a dire il primo passaggio chiave nella scissione dell’acqua. 
In definitiva, però, nessuna tecnica si è rivelata vincente. Il diossido di titanio non riusciva ad assorbire abbastanza luce solare e lo stato chimico indotto dalla luce nel colorante di Meyer era troppo effimero per essere utile. Ma i progressi hanno stimolato le riflessioni degli scienziati. “Si poteva guardare avanti sapendo in che direzione andare e, almeno dal punto di vista teorico, far combaciare tutti i pezzi”, spiega Meyer.
Nei decenni successivi, gli scienziati hanno studiato le strutture e i materiali delle piante che assorbono la luce solare e accumulano la sua energia. Gli studiosi avevano notato che le piante organizzano attente coreografie dei movimenti delle molecole d’acqua, degli elettroni e degli ioni d’idrogeno, ossia i protoni. Ma gran parte del meccanismo rimaneva ancora sconosciuto. Nel 2004, i ricercatori dell’Imperial College London hanno identificato la struttura di un gruppo di proteine e metalli che è cruciale per liberare l’ossigeno dall’acqua nelle piante. Questi scienziati hanno mostrato che al cuore del complesso catalitico si trovava una serie di proteine, atomi d’ossigeno e ioni di manganese e calcio che interagiscono con modalità specifiche.
“Grazie a questa scoperta, era possibile partire con il nostro lavoro di progettazione”, spiega Nocera, che aveva studiato a fondo, fin dal 1984, i processi chimici che si trovano dietro alla fotosintesi. Leggendo questa “carta stradale”, continua Nocera, il suo gruppo cominciò a gestire protoni ed elettroni più o meno come fanno le piante, ma usando solo materiali inorganici, più robusti e stabili delle proteine.
All’inizio, Nocera ha evitato di affrontare la sfida principale, vale a dire tirar fuori l’ossigeno dall’acqua. Invece, “per riscaldarci”, cominciò dalla reazione opposta: la combinazione di ossigeno, protoni ed elettroni per formare l’acqua. Scoprì così che alcuni composti complessi basati sul cobalto fungevano da buoni catalizzatori per questa reazione e, quando venne il momento di provare a scindere l’acqua, decise di utilizzare composti simili al cobalto.
Nocera sapeva che lavorare con questi composti nell’acqua poteva rappresentare un problema, poiché il cobalto può sciogliersi. Non fu quindi una grande sorpresa, egli dice, vedere “in pochi giorni che il cobalto si separava uscito dall’elaborato composto che avevamo prodotto”. Con il fallimento dei suoi tentativi iniziali, Nocera decise di intraprendere un approccio differente. Invece di usare un composto complesso, verificò l’attività catalitica del cobalto sciolto, con l’aggiunta di alcuni fosfati all’acqua per aiutare la reazione. “Ci siamo detti: ‘lasciamo perdere queste procedure elaborate e usiamo direttamente il cobalto’”, egli ricorda.
L’esperimento andò oltre le più ottimistiche previsioni di Nocera e dei suoi colleghi. Appena si applicava una corrente a un elettrodo immerso in una soluzione, cobalto e fosfato vi si accumulavano sopra, formando una minuscola pellicola, e un denso strato di bolle cominciava a formarsi nel giro di pochi minuti. Ulteriori esami hanno confermato che le bolle erano ossigeno rilasciato dalla scissione dell’acqua. “Si trattò di fortuna”, confessa Nocera. “Non avevamo alcun motivo per ritenere che del semplice cobalto con l’aggiunta del fosfato, a differenza del cobalto inserito in uno dei nostri complessi, avrebbero portato a questi risultati. Non potevo prevederlo. Il prodotto che veniva fuori dai composti era esattamente quello che stavamo cercando.
“Ora vogliamo capire”, continua Nocera. “Voglio sapere perché il cobalto in questa sottile pellicola è così attivo. Potrei migliorarne le prestazioni o usare un materiale migliore”. Allo stesso tempo, Nocera vuole cominciare a collaborare con gli ingegneri per ottimizzare il processo e creare una cella efficiente per la scissione dell’acqua, tale da incorporare catalizzatori per la generazione di ossigeno e idrogeno. “Il nostro interesse per la scienza di base è sempre stato sincero. Siamo in grado di dar vita a un catalizzatore che funziona efficacemente replicando il processo di fotosintesi?, si chiede Nocera. “La risposta al momento è affermativa, possiamo farlo. Abbiamo a disposizione la tecnologia per progettare una cella”.
È il momento del dibattito, critiche incluse - La scoperta di Nocera ha raccolto molta attenzione e allo stesso tempo numerose critiche. Diversi chimici trovano le sue affermazioni esagerate; non discutono le sue scoperte, ma sono scettici sulle possibili ricadute scientifiche ipotizzate da Nocera. “La pretesa che si tratti del passaggio decisivo verso la fotosintesi artificiale è perlomeno stravagante”, sostiene Thomas Meyer, che è stato un maestro per Nocera. Egli dice che, mentre i catalizzatori di Nocera “rappresentano uno sviluppo tecnologico importante”, il progresso è “un frutto della ricerca e in questo caso non c’è nessuna garanzia di una futura applicazione su piccola o larga scala”.
Le obiezioni di molti critici si muovono intorno alla incapacità del laboratorio di Nocera di scindere l’acqua in modo altrettanto rapido degli elettrolizzatori commerciali. Più è rapido il sistema, più piccola dovrà essere l’unità commerciale per produrre idrogeno e ossigeno. Inoltre, in generale, più il sistema è piccolo più è economico.
Il modo per confrontare catalizzatori differenti è guardare alla loro “densità di corrente” – la corrente elettrica per centimetro quadrato – quando raggiungono la massima efficienza. Più alta è la corrente, più velocemente il catalizzatore può produrre ossigeno. Nocera ha riferito risultati di 1 milliampere per centimetro quadrato, anche se afferma di aver raggiunto successivamente i 10 milliampere. Gli elettrolizzatori commerciali funzionano in genere a circa 1.000 milliampere per centimetro quadrato. “Quello che ha pubblicato finora non andrebbe bene per un elettrolizzatore commerciale, in cui la densità di corrente è tra 800 e 2.000 volte più grande”, afferma John Turner, un ricercatore del National Renewable Energy Laboratory di Golden, in Colorado.
Altri esperti criticano lo stesso principio di convertire la luce del sole in elettricità, poi in un combustibile chimico e infine di nuovo in elettricità. Essi sostengono che, pur immagazzinando molta meno energia dei combustibili chimici, le batterie sono molto più efficienti perché, usando l’elettricità per produrre combustibili che a loro volta generano elettricità, si perde energia a ogni passaggio. Sarebbe meglio, dicono i critici, prestare maggiore attenzione al miglioramento della tecnologia per le batterie o ad altre forme simili di immagazzinamento elettrico, invece di sviluppare strumenti per scindere l’acqua e pile a combustibile. Come sostiene Ryan Wiser: “L’elettrolisi è (al momento) inefficace, perché insistere?”
La foglia artificiale - In ogni caso, Michael Gratzel sembra sapere perfettamente come sfruttare la scoperta di Nocera. Professore di chimica e ingegneria chimica alla Ecole Polytechnique Federale, a Losanna, Gratzel è stata una delle prime persone a cui Nocera ha parlato del suo nuovo catalizzatore. “Era così entusiasta”, ricorda Gratzel. “Mi ha portato al ristorante e ha comprato una bottiglia di vino costosissima”. Nel 1991, Gratzel ha creato un nuovo, promettente tipo di cella solare, che utilizza un colorante contenente rutenio, il cui comportamento ricorda quello della clorofilla in una pianta, assorbendo la luce e rilasciando elettroni. Nella cella solare di Gratzel, tuttavia, gli elettroni non danno il via a una reazione di divisione dell’acqua, ma vengono raccolti da una pellicola di diossido di titanio e indirizzati in un circuito esterno, generando elettricità. Gratzel pensa ora di integrare la sua cella solare e il catalizzatore di Nocera in un singolo apparecchio che cattura l’energia dalla luce solare e la usa per scindere l’acqua.
Se è nel giusto, si tratterà di un passo significativo verso la produzione di un apparecchio che, per molti aspetti, ricorda da vicino una foglia. L’idea è che il colorante di Gratzel prenda il posto dell’elettrodo su cui il catalizzatore si forma nel sistema di Nocera. Il colorante stesso, se esposto alla luce, può generare la corrente necessaria ad assemblare il catalizzatore. “Il colorante agisce come un cavo molecolare che porta via le cariche”, dice Gratzel. Il catalizzatore poi si raccoglie dove è necessario, esattamente sul colorante. Una volta che il catalizzatore è formato, la luce solare assorbita dal colorante conduce le reazioni che scindono l’acqua. Gratzel sostiene che l’apparecchio sarà più efficiente ed economico rispetto al pannello solare e all’elettrolizzatore usati separatamente.
Un’altra possibilità che Nocera sta approfondendo è il possibile uso del suo catalizzatore per scindere l’acqua marina. I primi test in presenza di sale sono stati positivi e ora si stanno verificando le reazioni agli altri composti che si trovano nel mare. Se funzionerà, il sistema di Nocera potrebbe contribuire ad affrontare non solo la crisi energetica, ma anche il problema della crescente penuria di acqua fresca.
Le foglie artificiali e i sistemi di desalinizzazione per la produzione di combustibili potrebbero suonare come promesse troppo ambiziose, ma molti scienziati la pensano diversamente; i chimici alla ricerca di nuove tecnologie energetiche sono stati derisi per decenni per il fatto che le piante sfruttano facilmente la luce solare per trasformare grandi quantità di materiali in molecole ad alto contenuto energetico. “Vediamo quello che succede intorno a noi, ma non riusciamo a replicarlo”, spiega Paul Alivisatos, professore di chimica e scienza dei materiali all’Università della California, a Berkeley, che sta portando avanti una ricerca al Lawrence Berkeley National Laboratory per replicare il processo di fotosintesi con strumenti chimici.
Ma presto, imitando i processi naturali, l’uomo potrà usare il sole “per trasformare un bicchiere d’acqua in combustibile”, come sostiene Nocera. Questa idea ha in sé un profondo significato, che ogni chimico condividerà senza remore, e apre la strada a una serie di innovazioni che chiunque di noi non potrà che apprezzare.
Fonte: Technology Review
di Kevin Bullis
Sì, la notizia mi interessa, ma perché non me la fate condividere in.png)
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