Il carburante ideale

In una giornata di sole nel campus dell'Università della California, a Berkeley, il pacifico fruscio degli alberi di eucalipto smentisce la furiosa attività chimica che si verifica all'interno di ogni singola foglia. Attraverso la fotosintesi, le foglie utilizzano l'energia della luce solare per trasformare l'acqua e l'anidride carbonica in sostanze di cui le piante hanno bisogno, emettendo solo ossigeno nel processo. In un laboratorio vicino, il chimico Peidong Yang sta costruendo un sistema artificiale che fa lo stesso, utilizzando array di nanofili accoppiati con batteri ingegnerizzati. Se qualcosa del genere dovesse mai aumentare, produrrebbe una versione migliore dei combustibili che usiamo oggi, una che non si aggiunge alla quantità totale di anidride carbonica nell'aria.

Peidong Yang

La fotosintesi è stata molto difficile da imitare in laboratorio. Negli anni '70, i ricercatori dell'Università di Tokyo hanno dimostrato per la prima volta che un dispositivo a energia solare potrebbe fare ciò che fanno le piante nella prima fase della fotosintesi: scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno. Dopo una prima esplosione di attività, il campo si è fermato. Ma è rinato in diversi laboratori grazie a una rinnovata attenzione al problema energetico e ai cambiamenti climatici e all'emergere di nuove tecnologie.

1. Questo piccolo reattore riempito con precursori chimici e acqua viene riscaldato in un forno per far crescere nanofili di biossido di titanio.

2. I nanofili di silicio vengono fatti crescere da precursori gassosi che fluiscono attraverso questo reattore.

3. I nanofili di silicio possono essere coltivati ​​anche su superfici più grandi come questo wafer. Viene tagliato in pezzi che fungono da elettrodi all'interno del dispositivo.

4. I batteri in questa incubatrice verranno seminati su un elettrodo per agire come catalizzatori viventi.

Questa storia faceva parte del nostro numero di gennaio 2016

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Il laboratorio di Yang sta migliorando un progetto di base che è stato sviluppato negli anni '70 presso il National Renewable Energy Laboratory. Ha due elettrodi fotosensibili rivestiti con un catalizzatore - Yang utilizza il nichel, che è poco costoso - che insieme dividono l'acqua in ossigeno e idrogeno. Nella configurazione originale, gli elettrodi erano piatti, ma Yang utilizza invece array di nanofili realizzati in silicio e altri semiconduttori. Poiché i nanofili hanno un'area superficiale 100 volte superiore a quella degli elettrodi piatti che potrebbero stare nello stesso spazio, possono contenere più catalizzatore, aumentando notevolmente l'efficienza della reazione.

Tuttavia, la scissione dell'acqua è la metà facile della fotosintesi. Le piante vanno oltre, utilizzando l'idrogeno dell'acqua in reazioni che trasformano il carbonio dell'aria in molecole complesse. Yang vuole fare anche questo. Dopotutto, i nostri aerei e le nostre auto non funzionano a idrogeno; hanno bisogno di benzina e altri combustibili chimicamente complessi.

5. All'interno di questo dispositivo, la luce alimenta una reazione in cui l'acqua e l'anidride carbonica vengono convertite in combustibile. Il tubo consente il prodotto collaterale della reazione — ossigeno puro — scappare.

6 e 7. Alcuni batteri nell'impianto producono metano, che può essere utilizzato direttamente come combustibile; altri producono acetato, che viene somministrato ad altri batteri geneticamente modificati per produrre combustibili e plastica. Ecco, ingegnerizzato E. coli si nutrono di acetato.

8. Gli strumenti analitici, inclusi gli spettrometri di massa, vengono utilizzati per verificare che i batteri abbiano prodotto la sostanza chimica desiderata. Finora, il sistema è efficiente quanto la fotosintesi naturale.

Per catalizzare quella parte del processo, Yang si affida a un'altra tecnologia che non esisteva negli anni '70. Lui e colleghi hanno dimostrato che i batteri geneticamente modificati annidati tra i nanofili funzionano come catalizzatori viventi. Assorbono l'idrogeno separato dall'acqua e lo combinano con l'anidride carbonica per produrre metano e altri idrocarburi necessari per i combustibili o la plastica. Gli insetti lo fanno con enzimi naturali che svolgono una serie di reazioni che i chimici non sono ancora stati in grado di padroneggiare con catalizzatori sintetici.

Il sistema di Yang attualmente corrisponde all'efficienza della fotosintesi, immagazzinando meno dell'1% dell'energia catturata dalla luce solare sotto forma di legami chimici. Non è male per una dimostrazione proof-of-concept, ma sarà essenziale renderla più efficiente e quindi conveniente.

Yang spera di passare alla fine ai catalizzatori sintetici invece dei batteri, che sono difficili da mantenere in vita. Ma l'eliminazione completa dei bug potrebbe non essere necessaria, data l'urgenza di combustibili puliti. Se deve essere un approccio ibrido, va bene, dice.

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