Progettata la foglia bionica per lo stoccaggio di energia solare

Il mondo animale e vegetale può davvero offrire tante idee per facilitare la vita dell'uomo. La natura può essere non solo fonte di energia pulita e rinnovabile, ma anche maestra di tecniche e suggerimenti da poter riprodurre efficacemente. L'attenzione in questo caso è posta sulle piante e in particolare sulla fotosintesi clorofilliana, processo attraverso il quale  le piante assorbono energia luminosa che convertono in energia chimica. I composti inorganici (anidride carbonica e acqua) vengono trasformati in composti organici, fondamentali per la vita vegetale e animale.

(Sezione di una foglia - Credit foto: Awaken)

I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) stanno tentando di imitarla da tempo cercando di creare una fotosintesi artificiale, messa in atto da una sorta di foglia bionica. 

Il concetto di foglia artificiale non è nuovo. Nato circa due anni fa, è stato definito dal capo ricercatore Dr. Daniel Nocera (precedentemente del MIT, ora Havard, impegnato nelle indagini scientifiche)  "uno dei sacri Graal della scienza". Il dispositivo in questione aveva le grandezza di una carta da gioco o foglio di medie dimensioni ed era una versione ridotta del processo attraverso il quale si generava energia dalla luce del sole e dall'acqua. Non produceva energia elettrica utilizzabile direttamente, come faceva una cella fotovoltaica. Era invece adoperata per separare le molecole di acqua in idrogeno e ossigeno gassosi. L'idea era di realizzare un apparecchio in grado di produrre energia rinnovabile in loco, accessibile a tutti sia per costi sia per dimensioni. 

(Daniel Nocera, Professore di Chimica al MIT - Credit Foto: MIT News) 

Tuttavia, uno dei punti critici nella ricerca è sempre stato quello di trovare un catalizzatore economico per innescare la reazione. Il team di Nocera aveva fornito diverse alternative fatte di nichel e cobalto. Sebbene Nocera apparentemente sia stato il primo a fornire un sistema di energia rinnovabile basato sulla fotosintesi commercialmente possibile e a basso costo, altri ricercatori hanno seguito lo stesso sentiero e continuano a farlo. Al Dipartimento per l'Energia, il laboratorio di Oak Ridge, ha identificato una proteina, raccolta dagli spinaci, che induce un processo di generazione idrogeno simile.  Questo sviluppo segue le linee guida di produzione a bassi costi, utili a servire le famiglie delle comunità residenti in in zone svantaggiate il cui consumo di elettricità è talmente trascurabile, che gli oneri complessivi assumono un peso non indifferente. Nell'ultima fase di sviluppo, la foglia artificiale era stata ottimizzata per funzionare più efficacemente nell'acqua impura.  

(Visione parziale di una foglia- Credit Foto: arinas74 )

Che venga chiamata "foglia artificiale" o "foglia bionica", la nozione alla base è relativamente semplice. Invece di utilizzare la cellula fotovoltaica per generare elettricità direttamente dalla luce del sole, si impiega una reazione chimica che immagazzina l'energia solare sotto forma di idrogeno, che può essere usata in una cella a combustione di idrogeno per generare elettricità. Il team di Berkeley, ha sì preso in considerazione i costi, ma si sta muovendo focalizzando l'attenzione soprattutto sulle prestazioni del fotocatodo (cioè parte della cellula che genera una corrente elettrica) a livello molecolare.  

(Gary Moore, ricercatore del JCAP e del Berkeley Lab - Credit foto: Awaken)

Gary Moore, ricercatore del  Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) e del Laboratorio di Berkeley, aveva annunciato lo sviluppo di un metodo attraverso il quale catalizzatori molecolari, produttori di idrogeno, possono essere interfacciati sia strutturalmente che funzionalmente con un semiconduttore che assorbe la luce visibile.

Attraverso la fotosintesi, l'energia solare viene sfruttata dalle piante per scindere le molecole di acqua in ossigeno, ioni idrogeno (o protoni) ed elettroni liberi.  Mentre l'ossigeno viene rilasciato, i protoni e gli elettroni sono riutilizzati per convertire l'anidride carbonica in zuccheri impiegati dalle piante come energia.

Gli scienziati quindi cercano di realizzare un sistema di fotosintesi artificiale ma più efficiente di quella naturale (almeno dieci volte superiore). Il JCAP è un programma di ricerca che si dedica allo sviluppo di una tecnologia solare tesa a raggiungere questo obiettivo.

(JCAP Logo - Credit Foto: JCAP )

Il JCAP possiede una sezione settentrionale a Berkeley e una sezione meridionale al campus dell'Istituto  della Tecnologia della California (Caltech).  È stato istituito nel 2010 dal Dipartimento dell'Energia U.S (DOE, Department of Energy) come  Energy Innovation Hub. Gestito in partnership tra Caltech e Berkeley, JCAP è il più grande programma di ricerca negli Stati Uniti, dedicato allo sviluppo di un'artificiale tecnologia a combustibile-solare. È finanziato attraverso l'Ufficio DOE della Scienza. 

Come viene spiegato dagli stessi scienziati, nel processo in questione, quando i fotoanodi (detti anche fotocatodi o fotoelettrici, cioè gli elettrodi che costituiscono una cella fotoelettrochimica o cella solare) impegnano l'energia solare per scindere le molecole di acqua, è necessario utilizzare fotocatodi, semiconduttori ad alte prestazioni per catalizzare la produzione di combustibile. Precedentemente venivano adoperati catalizzatori fissati su supporti non fotoattivi al fine di produrre combustibile ad idrogeno. Tuttavia, per generare idrogeno, era richiesto un potenziale elettrico esterno. Si è pensato, quindi, di creare un unico materiale, nel quale fossero combinati tutti i passaggi.

(Berkeley Lab logo- Credit Foto: Berkeley Lab)

Associando in un unico prodotto l'assorbimento della luce visibile con la produzione di idrogeno, è stato possibile liberarsi da una polarizzazione esterna e generare carburante solamente illuminando il fotocatodo.  È stato così impiegato fosfuro di gallio (GAP) insieme ad un catalizzatore per la produzione di idrogeno, contenente cobalto molecolare. Il fosfuro di gallio, tuttavia, è piuttosto instabile, per cui è stato rivestito con una pellicola di vinipiridina. La produzione di idrogeno è potenziata grazie ad  un trattamento chimico di quest'ultimo componente. Purtroppo, sebbene vi siano delle premesse incoraggianti, il fosfuro di gallio ha un intervallo di banda ottica medio e questo limita la frazione di fotoni solari disponibili all'assorbimento (da 200 a 4000 nanometri). Si cercano, perciò, semiconduttori in grado di coprire una gamma più ampia di spettro solare e catalizzatori che, a potenziali elettrici inferiori, risultino più veloci.  Si esaminano anche catalizzatori molecolari per la riduzione del biossido di carbonio. La loro speranza è di riuscire ad attuare un metodo che converti nel miglior modo possibile la luce in combustibile. Lo studio è stato pubblicato  sul Journal of American Chemical Society (JACS).

(JACS, Logo della Rivista - Credit foto: JACS) 

L'ultima novità, quindi, risiede proprio in un fotocatodo ibrido di fosfuro di gallio (semiconduttore che assorbe la luce) e il cobaloxime (un catalizzatore produttore di idrogeno, presente in abbondate quantità sulla Terra). Entrambi i materiali sono relativamente abbondanti e poco costosi rispetto ai tradizionali catalizzatori di materiali preziosi (come il platino). Questo ibrido ha il potenziale per affrontare una delle maggiori sfide nell'uso della fotosintesi. D'altra parte, afferma Moore, il problema delle energie rinnovabili è quello dello stoccaggio. Data la disponibilità ad intermittenza della luce solare, serve un sistema che offra il modo di sfruttare il sole anche nella notte. Riuscire ad immagazzinare l'energia solare nei legami chimici di un combustibile fornisce grandi densità di energia che sono essenziali per i sistemi di trasporto moderni. Viene dimostrato che il loro approccio di accoppiare l'assorbimento della luce visibile con la produzione di idrogeno in un singolo materiale, mette gli elettroni fotoeccitati dove è necessario che siano: memorizzati nei legami chimici.

(Foglia Bionica. Collegamento semiconduttore fosfuro di Gallio con  catalizzatore cobaloxime.
Si ha un fotocatodo economico. Si produce combustibili ad alta densità energetica.
Credit Foto: Brekeley Lab, News Center) 

L'ultima analisi sul fotocatodo è stata pubblicata sulla rivista "Physical Chemistry Chemical Physics" con il titolo "Energetics and efficiency analysis of a cobaloxime-modified semiconductor under simulated air mass 1.5 illumination" (Analisi energetica e dell'efficienza di un semiconduttore di cobaloxime modificato, sotto una massa d'aria simulata di illuminazione 1.5). Autore del testo è stato Gary Moore, che lo ha realizzato in collaborazione con Alexandra Krawicz e Diana Cedeno. Qui si è dimostrato come quasi il 90% degli elettroni generati dal materiale ibrido sono memorizzati nelle molecole di idrogeno.

La squadra di ricerca ha anche scoperto che la capacità del fosfuro di gallio nell'assorbire l'energia solare è superiore alle capacità del cobaloxime di catalizzare una reazione. Per cui solo l'1,5% dei fotoni che colpiscono la superficie vengono convertiti in un fotocorrente. La ricerca, quindi, punta su un catalizzatore più efficiente.   

(foto di gruppo, da sinsitra: Diana Cedeno, Gary Moore and Alexandra Krawicz -
Credit foto: Roy Kaltschmidt da  Brekeley Lab, News Center) 

Le Foglie Bioniche, che producono combustibili ad alta densità di energia dalla sola luce solare, dall'acqua e dall'atmosfera senza sottoprodotti all'infuori dell'ossigeno, rappresentano un'ideale alternativa di energia sostenibile  rispetto ai combustibili fossili. Tuttavia, la realizzazione di questa fotosintesi artificiale richiederà una serie di innovazioni tecnologiche, tra cui fotocatodi al alte prestazioni in grado di catalizzare le produzione di combustibile dall'unica luce del sole.

Fonti:
Clean Technica (New Bionic Leaf – Artificial Leaf)
New Center, Berkeley Lab
Gaia News

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