L’energia solare prende una nuova svolta

Solar energy takes a new turn

La capacità delle piante di utilizzare l’energia solare in modi altamente efficienti ha da sempre incuriosito scienziati e tecnologi. Una combinazione di luce solare, acqua e anidride carbonica fornisce il combustibile di cui hanno bisogno per crescere, fiorire e produrre frutta. È un sistema altamente efficiente e non inquinante.

Ora i ricercatori si stanno rivolgendo alla natura per fornire un modello per un ramo emergente della tecnologia focalizzata sulla fotosintesi artificiale utilizzando foglie solari. La tecnologia, ancora in fase embrionale, produce etanolo e propanolo a partire da anidride carbonica, acqua e luce solare. Il combustibile solare risultante può essere utilizzato per alimentare automobili, barche e macchinari.

“Le foglie solari artificiali potrebbero generare carburanti completamente rinnovabili e a zero emissioni nette di carbonio che potrebbero essere utilizzati in una vasta gamma di industrie e in molte situazioni,” spiega Erwin Reisner, professore presso il Dipartimento di Chimica dell’Università di Cambridge e autore principale di un articolo sulle tecnologie che è apparso su Nature Energy nel maggio 2023.

La tecnologia delle foglie solari potrebbe fornire un sostituto dei combustibili fossili, ma potrebbe anche preparare il terreno per la creazione di nuovi tipi di sostanze organiche e la produzione di ossigeno nello spazio o su un altro pianeta. “È una tecnologia molto versatile e potenzialmente potente,” afferma Motiar Rahaman, ricercatore post-dottorato presso l’Università di Cambridge e primo autore dell’articolo.

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Tecnologia dei Carburanti Naturali

L’idea di creare carburante dal nulla non è particolarmente nuova. Già negli anni ’70, i ricercatori hanno iniziato a esplorare modi per utilizzare l’energia solare per convertire l’acqua in fonti di carburante composte da elementi come idrogeno e ossigeno. Tuttavia, il costo di produzione di questi carburanti e la conversione dell’infrastruttura per ospitarli è elevato.

Negli ultimi 15 anni circa, i ricercatori hanno anche esplorato l’idea di convertire CO2 e H2O in etanolo utilizzando solo la luce solare. Oggi, “Ci sono diversi tipi di foglie artificiali che utilizzano fotocatalizzatori attaccati direttamente alla superficie della cella solare,” afferma Kazunari Domen, professore a contratto presso l’Università di Shinshu a Nagano, Giappone, che ha condotto ricerche su particelle di semiconduttori solari a scala nanometrica che generano idrogeno e ossigeno dall’acqua.

Ciò che rende così notevole la scoperta dei ricercatori di Cambridge è che hanno trovato un modo per svolgere il processo di fotosintesi in un solo passaggio e produrre carburante con una densità energetica elevata. “È un dispositivo completamente integrato,” dice Reisner. “Di conseguenza, questa tecnologia si avvicina molto alla realtà pratica.”

Una foglia artificiale è composta da due parti: una fotocatodo e un fotoanodo. Da un lato, una cella solare perovskite contenente un catalizzatore di rame palladio raccoglie la luce e converte l’anidride carbonica in alcoli multicarbonio. Dall’altro lato, un fotoanodo di bismuto vanadato nanostrutturato viene utilizzato per convertire l’acqua in ossigeno.

È possibile bruciare il carburante immediatamente o conservarlo in serbatoi. Il processo di fotosintesi artificiale funziona anche con poca luce solare, afferma Rahaman.

Le foglie possono essere modellate in quasi qualsiasi forma o dimensione e intrecciate in array più grandi. Ciò rende la tecnologia ideale per una vasta gamma di utilizzi, inclusi veicoli e luoghi remoti in cui i pannelli solari non sono fattibili o convenienti. Potrebbe anche fornire un’alternativa pulita per la cottura rispetto a legna, carbone e altri carburanti inquinanti. “Tre o quattro milioni di persone nei paesi in via di sviluppo muoiono ogni anno perché non hanno accesso a combustibili puliti,” afferma Reisner.

Tuttavia, Reisner aggiunge che la tecnologia non è progettata per competere con l’energia solare convenzionale, che immagazzina l’energia nelle batterie. “È una tecnologia completamente complementare.”

Energia Solare in Aumento

Anche se le foglie solari sembrano avere un futuro luminoso, probabilmente ci vorranno dieci anni o più per raggiungere un livello commerciale. “Ci sono ancora alcuni problemi da risolvere prima che le foglie artificiali possano essere utilizzate in modo pratico, ma questa ricerca è… un risultato di alto livello scientifico,” afferma Domen.

Un vantaggio significativo di questa tecnologia rispetto all’idrogeno è il fatto che l’infrastruttura esistente potrebbe essere convertita a basso costo per ospitare il carburante ad etanolo prodotto da foglie solari, afferma Reisner. “Serbatoi, condutture e altri elementi esistono già e richiedono modifiche minime per ospitare tali carburanti liquidi.”

Reisner immagina che, a lungo termine, grandi gruppi di foglie artificiali galleggino sull’acqua, raccogliendo luce e producendo carburante. “Questo risolve i problemi di utilizzo del suolo e apre la strada all’utilizzo di generatori solari sull’oceano e in altre località, incluso il trattamento dell’acqua.” La stessa tecnologia potrebbe generare ossigeno all’interno di strutture sulla Luna o su Marte ed è in grado di trasformare i rifiuti di plastica in energia.

Al momento, i ricercatori di Cambridge stanno studiando modi per accelerare il processo di fotosintesi artificiale, che è approssimativamente alla pari con il tasso di fotosintesi naturale. Stanno anche esplorando modi per scalare la tecnologia per un uso diffuso. Afferma Reisner: “Le foglie artificiali e i carburanti solari potrebbero aprire la strada a un futuro più economico e sostenibile.”

Samuel Greengard è un autore e giornalista con sede a West Linn, OR, USA.