Celle solari microbiche per infrastrutture idriche

L'ingegnere ambientale Bruce Logan e il suo assistente Younggy Kim due ricercatori della Pennsylvania State University stanno sperimentando una nuova tecnologia innovativa ed ecosostenibile che si basa sulla progettazione di celle a combustibile microbico (MFC) a elettrodialisi inversa (MRC).

L'obbiettivo principale della ricerca di Logan è creare delle infrastrutture idriche che siano sostenibili nella loro produzione di energia. Infatti, secondo alcune statistiche, negli Stati Uniti oltre il 5% dell'energia è riservato al trattamento delle acque, ovvero i vari tipi di infrastrutture idriche, come ad esempio, le dighe, i sistemi di smaltimento e trattamento delle acque reflue e gli impianti di irrigazione.

Lo studio dei due ricercatori mirerebbe a risparmiare questo 5% attraverso un metodo assolutamente nuovo che si basa sulla conversione diretta della materia organica in energia elettrica utilizzando batteri. Anche se da un certo punto di vista questa ricerca può sembrare un po' bizzarra, il ruolo dei batteri è stato di fondamentale importanza fin dalla nascita della vita sulla terra.

(Batteri al microscopio)

Questi comparvero circa due miliardi di anni fa ed erano molto simili ai cianobatteri attuali, il che significa che erano organismi capaci di effettuare la fotosintesi clorofilliana. Una caratteristica fondamentale perché ha permesso all'atmosfera di arricchirsi di ossigeno e quindi di diventare respirabile e adattabile alla proliferazione di tutte le altre specie di esseri viventi che andarono poi a colonizzare la terra, grazie anche al conseguente stabilizzarsi della temperatura.

Considerando questo ruolo incredibile che i batteri hanno sempre avuto in relazione all'uomo, i ricercatori Bruce Logan e Younggy Kim hanno impiegato le loro risorse e conoscenze per arricchire la ricerca nel campo. I batteri sono utili anche per altri motivi strettamente legati all'ambiente, in particolare per le acque. I batteri, in questo senso hanno un importante ruolo di depurazione. Molto spesso accade che in un corso d'acqua si verifichi la presenza di una quantità eccessiva di sostanze organiche e questo provoca un inevitabile incremento dei batteri. Quei organismi, in particolare la categoria degli anaerobi, ovvero che non necessitano di ossigeno per vivere, danno luogo a processi di fermentazione. I batteri consumano, quindi, le sostanze organiche in eccesso nell'acqua ristabilendo i normali processi di ossidazione.

(Celle solari a combustibile microbico (MFC) a elettrodialisi inversa (MRC))

Quest'ultima caratteristica è stata sfruttata dai ricercatori in maniera eccellente nelle loro MFC, celle a combustibile microbico. Queste celle sono state appositamente progettate prive di ossigeno e strutturate in modo tale che si presentino con due camere separate da sottili membrane. In ogni cella viene inserito il rispettivo anodo o catodo di un elettrodo, le membrane funzionano come poli e l'intero sistema si trasforma in una batteria, dove il catodo è esposto all'ossigeno. I batteri che per poter vivere hanno bisogno di effettuare processi di ossidazione passano da una camera all'altra e questo movimento, insieme ai processi stessi dell'elettrolisi della cella e quindi lo scambio di ioni, genera un potenziale elettrico, conseguentemente condensato e trasmesso.

La cella è, quindi, in grado di sfruttare allo stesso tempo sia il processo di elettrolisi che l'attività metabolica dei batteri. Secondo Logan, "Questo sistema potrebbe permettere di produrre idrogeno ovunque, sia nei pressi di acqua di mare, sia nei pressi delle acque reflue. Il sistema non utilizza la rete elettrica ed è completamente a zero emissioni di carbonio".

(Schema di una cella elettrolitica)

Una prima applicazione delle celle a combustibile microbico (MFC) a elettrodialisi inversa (MRC) sarebbe in prossimità delle acque, che siano esse marine o lacustri. Questo permettere alle infrastrutture idriche di diventare indipendenti dal punto di vista energetico, di essere in grado di effettuare una depurazione assolutamente naturale e anche di non produrre nessuna emissione tossica.