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La corsa per inventare la foglia artificiale
In questo estratto dal suo nuovo libro Domare il sole , Varun Sivaram segue i percorsi di ricerca di due scienziati rivali determinati a trovare un modo per spremere carburante dal nulla. 21 febbraio 2018
Santu Mustonen
Dall'inizio degli anni '70, gli scienziati hanno cercato di sviluppare una tecnologia in grado di creare combustibili liquidi da anidride carbonica, acqua e luce solare in modo molto più efficiente della fotosintesi, il processo mediante il quale le piante sfruttano la luce solare per produrre carboidrati e immagazzinare energia. Lo chiamano la foglia artificiale.
Una foglia artificiale commercialmente valida risolverebbe molte delle sfide più difficili nell'energia pulita. Creerebbe un modo per immagazzinare l'energia solare in modo diretto e conveniente, producendo al contempo un combustibile a emissioni zero che potrebbe trasformare il settore dei trasporti, offrendo anche un modo per rendere sostenibili dal punto di vista ambientale i viaggi aerei a lunga distanza.
Questa storia faceva parte del nostro numero di marzo 2018
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Gli scienziati hanno compiuto progressi lenti ma considerevoli nelle due fasi cruciali del processo: lo sviluppo di catalizzatori che utilizzano l'energia solare per dividere l'acqua in ossigeno e idrogeno e la creazione di altri in grado di convertire l'idrogeno e l'anidride carbonica in un combustibile denso di energia. Il trucco rimanente è combinare queste attività in modo conveniente e scalabile, utilizzando materiali economici e abbondanti.
Nel seguente estratto dal suo nuovo libro, Varun Sivaram, fisico e ricercatore presso il Council on Foreign Relations, esplora i recenti progressi e i divergenti percorsi di ricerca di due scienziati rivali determinati a consegnare e commercializzare finalmente la foglia artificiale: Nathan Lewis al Caltech e Daniel Nocera all'Università di Harvard.
In una tiepida serata a Beverly Hills di recente, i membri del Council on Foreign Relations si sono riuniti al Peninsula Hotel per ascoltare uno scienziato condividere la sua visione per la creazione di una foglia artificiale.
Tra la collezione di dirigenti ed ex ambasciatori, la maggior parte non sapeva cosa aspettarsi. Alcuni si scambiarono sguardi nervosi mentre presentavo le credenziali del relatore, forse preparandomi per un'astrusa lezione di fisica.
Ma il mio ospite quella sera, Nate Lewis, professore al California Institute of Technology (Caltech), è una rarità tra gli scienziati per la sua capacità di condensare concetti complessi in suoni memorabili e intrecciare i suoi filoni di ricerca assortiti in una narrativa avvincente. Lewis, i cui capelli grigi sono la testimonianza dei decenni trascorsi a rincorrere una foglia artificiale, ha dato il via alle sue osservazioni sul futuro dell'energia solare con questo conciso ritornello: non puoi conservare? Nessuna potenza dopo le quattro.
Quel fallimento, ha affermato con la sua voce bassa e strascicata, significa che abbiamo urgente bisogno di sviluppare tecnologie in grado di immagazzinare l'energia solare in un combustibile che può essere utilizzato quando necessario. Il suo percorso preferito, un generatore di combustibile solare integrato, è un dispositivo elegante che assorbe acqua e luce solare e sputa idrogeno e ossigeno gassosi. L'idrogeno può quindi essere utilizzato per alimentare veicoli, generare elettricità per la rete o fungere da materia prima per produrre combustibili più complessi come la benzina.
Lewis, anche ricercatore principale presso il Joint Center for Artificial Photosintesi finanziato dal governo federale, vuole che la sua foglia artificiale superi le migliori piante della natura. Le piante, nonostante tutto il loro successo, sono in realtà terribili nel convertire la luce solare in energia. Anche se non sai nulla di come funziona la fotosintesi, puoi dire dal colore verde delle foglie che la conversione energetica totalmente efficiente potrebbe non essere la priorità assoluta di una pianta (le foglie nere sarebbero molto più adatte ad assorbire i raggi del sole). I cloroplasti verdi nelle cellule fogliari funzionano abbastanza bene per le esigenze di una pianta. Svolgono complesse reazioni chimiche che, alimentate dall'energia solare, trasformano l'anidride carbonica e l'acqua negli zuccheri che immagazzinano energia necessari per attività come la sopravvivenza e la riproduzione. Alla fine, gli impianti più efficienti convertono appena l'1% della luce solare in entrata in energia immagazzinata.
La vegetazione offre comunque un modello generico per trasformare la luce solare in combustibile. All'inizio della fotosintesi, le piante scindono l'acqua e generano idrogeno e ossigeno. L'ossigeno entra nell'atmosfera, mentre l'idrogeno si alimenta nelle successive reazioni chimiche.
Il modo in cui le piante realizzano questa divisione dell'acqua è istruttivo. La prima lezione è che separano le due metà della reazione chimica di scissione dell'acqua, cioè le semireazioni che producono idrogeno e ossigeno. L'evoluzione non era piromane e questa scelta progettuale impedisce all'idrogeno di bruciare spontaneamente in presenza di ossigeno. In secondo luogo, la pianta contiene catalizzatori, o molecole che accelerano le semireazioni. In terzo luogo, le piante separano le due semireazioni con una membrana che non solo tiene separati idrogeno e ossigeno, ma consente anche agli ioni carichi di attraversarla, il che è importante per evitare uno squilibrio di carica.
Allo stesso modo, i ricercatori che sviluppano generatori di combustibile solare devono mettere insieme un insieme simile di componenti. Due materiali noti come fotoelettrodi sono immersi nell'acqua e assorbono l'energia luminosa per eseguire ciascuna delle due semireazioni alla scissione dell'acqua. Due catalizzatori accelerano ciascuna di queste semireazioni. E una membrana impedisce all'intero aggeggio, chiamato cellula fotoelettrochimica (PEC), di esplodere.
Ma le somiglianze finiscono qui. Come ama dire Lewis, dopo aver preso ispirazione dagli uccelli piumati, l'uomo ha abbandonato le piume e ha inventato il 747. A differenza delle piante, i generatori di combustibile solare del futuro probabilmente non utilizzeranno due fotoelettrodi verdi che competono tra loro per assorbire la stessa parte di lo spettro del sole. Piuttosto, uno di questi, l'anodo, che crea ossigeno dall'acqua, dovrebbe imbrigliare i colori della luce verso l'estremità blu dello spettro e lasciare che i colori verso l'estremità rossa dello spettro passino per essere assorbiti dal catodo sottostante, che produce idrogeno.
La produzione di energia a prezzi accessibili richiederà materiali estremamente economici e abbondanti. Ma non è tutto ciò che la PEC deve fare. Per avere successo, deve essere non solo economico, ma anche sicuro, robusto ed efficiente. Sfortunatamente, finora i ricercatori sono riusciti solo a creare dispositivi con non più di tre di queste quattro caratteristiche.
Inizia con la sicurezza. Per evitare che idrogeno e ossigeno si combinino ed esplodano, un PEC necessita di una membrana che separi le due semireazioni. Ma la semireazione che produce ossigeno dall'acqua rende anche quell'acqua acida, mentre la semireazione che produce idrogeno rende basica l'acqua vicina. Gli scienziati devono trovare materiali per fotoelettrodi e catalizzatori che non si dissolvano o si corrodano in mezzi acidi o basici. Tale richiesta esclude molti materiali economici che non sopravviverebbero in tali condizioni. Pertanto, realizzare un generatore a combustibile solare con materiali economici e dotarlo di una membrana per garantire la sicurezza può comportare il fallimento del test di robustezza.
Quindi, considera la quantità di energia solare che il dispositivo converte in energia immagazzinata come idrogeno. Tale efficienza dipende da quanto bene i fotoelettrodi assorbono collettivamente la luce solare e dalla velocità con cui le due semireazioni dividono l'acqua. Con fotoelettrodi e catalizzatori scelti con cura, un generatore di combustibile solare può teoricamente raggiungere un'efficienza superiore al 30 percento. I semiconduttori costosi offrono un buffet diversificato di materiali tra cui scegliere, ma i composti più economici presentano un menu molto più limitato. Allo stesso modo, i catalizzatori di metalli preziosi come il platino sono ottimi per accelerare le reazioni, ma sono rari e costosi. Il team interdisciplinare di ricercatori guidato da Lewis ha continuato a dedicare un'enorme potenza di calcolo al problema di trovare materiali in grado di soddisfare tutti e quattro i criteri, simulando sistematicamente migliaia di composti e testando i candidati più promettenti in laboratorio.
Anche la buona vecchia intuizione scientifica ha giocato un ruolo importante nel processo di ricerca, così come un po' di fortuna. Spiccano due esempi. In primo luogo, Lewis e i suoi collaboratori hanno trovato ispirazione nei catalizzatori utilizzati nelle raffinerie di petrolio per eliminare lo zolfo che inquina l'aria dai prodotti petroliferi. Questi catalizzatori sono economici ed eccellono nell'accelerare la semireazione che produce idrogeno. (Purtroppo, i ricercatori stanno ancora cercando un catalizzatore economico ed efficace per la semireazione che produce ossigeno.)
In secondo luogo, i ricercatori del laboratorio di Lewis hanno accidentalmente rivestito i loro campioni con un sottile strato di biossido di titanio e hanno trovato un risultato sorprendente. Il biossido di titanio è l'ingrediente chiave della crema solare, che protegge la pelle bloccando i raggi ultravioletti della luce solare. Qui, tuttavia, il rivestimento ultrasottile ha svolto un ruolo completamente diverso, proteggendo i fotoelettrodi e i catalizzatori dall'essere consumati dalla soluzione di base.
Insieme, l'intuizione presa in prestito dall'industria petrolifera e la scoperta accidentale della protezione solare hanno permesso a Lewis e ai colleghi ricercatori del Caltech di fare una svolta. Nel 2015, hanno annunciato un generatore di combustibile solare integrato che era oltre il 10% efficiente nel convertire la luce solare in combustibile a idrogeno. L'efficienza in sé non è stata un grande salto: altri avevano raggiunto il 22 percento di efficienza. Ma il dispositivo Caltech utilizzava catalizzatori economici e abbondanti sulla Terra ed era in grado di pompare idrogeno in due giorni di funzionamento continuo. Come prova di concetto, ha preso in giro la possibilità di un prodotto commercialmente valido lungo la strada.
Se e quando questa tecnologia porta a un prodotto commerciale, è improbabile che assomigli alle foglie che l'hanno ispirato. Lewis immagina un telo, steso su una vasta distesa per assorbire i raggi del sole, con tubi di scarico per raccogliere l'idrogeno che produce. Questo è molto diverso dal prototipo di un centimetro cubo creato dal suo team, ma, ascoltando la visione di Lewis, è difficile non sognare in grande.
Il Sacro Graal
Dall'altra parte del paese, da Nate Lewis, anche un altro acclamato scienziato è alla ricerca di commercializzare una foglia artificiale. Come Lewis, Dan Nocera dell'Università di Harvard combina abilmente scienza e comunicazione, facendo il chiaro di luna come celebrità della scienza, una sorta di Carl Sagan per i combustibili solari. Ha un talento per connettersi con un pubblico eterogeneo, dai raduni scientifici dell'American Physical Society ai vertici hobnobbing dell'Aspen Institute. Se la sua folla sta cenando con una bistecca, li scalderà chiedendo: cosa hai appena masticato? Il Sole! La carne era solo l'energia della luce solare.
Sebbene sia Lewis che Nocera condividano i capelli grigi, la capacità di coinvolgere un vasto pubblico e lo stesso supervisore quando erano alla scuola di specializzazione, i loro approcci alla realizzazione di una foglia artificiale sono drammaticamente diversi, risultando in una vivace rivalità professionale. Mentre Lewis è concentrato sulla produzione di idrogeno, Nocera vuole scavalcare l'idrogeno e costruire un dispositivo che sfrutti la luce solare per produrre direttamente combustibili convenienti contenenti carbonio che possano sostituire immediatamente i prodotti petroliferi di oggi.
Per un certo periodo Nocera si è accontentata di concentrarsi solo sulla produzione di idrogeno. Nel 2011, ha catturato l'attenzione del mondo scientifico facendo cadere quello che sembrava un francobollo scuro in un bicchiere d'acqua, provocando la fuoriuscita di idrogeno e ossigeno su entrambi i lati. Nonostante la sua semplicità, la sua foglia artificiale è stata il culmine di 30 anni di ricerca, risalendo ai suoi giorni come studente laureato al Caltech. Dopo aver fatto la svolta, Nocera ha deciso di portare sul mercato la sua nuova tecnologia.
Sfortunatamente, stava per imparare la lezione che quasi tutte le altre startup di energia pulita della Silicon Valley hanno imparato: la parte davvero difficile arriva dopo fare un'entusiasmante scoperta di laboratorio. In seguito si sarebbe lamentato, ho fatto un Santo Graal della scienza. Grande! Ciò non significa che ho fatto un Santo Graal della tecnologia. Ed è ciò che scienziati e professori non capiscono. La sua startup, Sun Catalytix, ha finito per abbandonare il combustibile solare per sviluppare batterie per immagazzinare energia per la rete elettrica (Lockheed ha acquistato l'azienda per un importo non divulgato nel 2014).
Ma l'esperienza non gli ha impedito di inseguire il Santo Graal, quindi ora Nocera sta perseguendo l'obiettivo ancora più difficile di sfruttare la luce solare, l'acqua e l'anidride carbonica per produrre combustibili liquidi a base di carbonio. I potenziali vantaggi di una tale tecnologia sono convincenti. I combustibili liquidi dispongono già di enormi reti infrastrutturali globali, inclusi impianti di stoccaggio, oleodotti transcontinentali e superpetroliere, per non parlare delle stazioni di rifornimento onnipresenti in tutto il mondo. Un dispositivo in grado di trasformare la luce solare in combustibili che sono già comunemente usati potrebbe cavalcare su quell'infrastruttura.
Lewis sostiene che il percorso più promettente per produrre combustibili a base di carbonio dalla luce solare coinvolge l'idrogeno generato dal sole come intermediario. Da lì, processi industriali ben noti potrebbero combinare l'idrogeno con l'anidride carbonica, catturata da fabbriche e centrali elettriche che bruciano combustibili fossili, per produrre una gamma di combustibili utili noti come idrocarburi. Una raffineria solare potrebbe creare la stessa gamma di combustibili idrocarburici che vengono prodotti oggi nelle raffinerie di petrolio e quindi utilizzati come combustibili per i trasporti o convertiti in una gamma di prodotti dalla plastica ai prodotti farmaceutici.
Per quanto futuristico possa sembrare tutto ciò, Nocera vuole fare qualcosa di ancora più difficile. Vuole bypassare la produzione intermedia di idrogeno e utilizzare la luce solare, l'acqua e l'anidride carbonica direttamente produrre combustibili contenenti carbonio. Se questa manovra potesse essere eseguita in modo conveniente e su larga scala, sarebbe il metodo più efficiente e a colpo singolo per immagazzinare la luce solare nei combustibili più versatili conosciuti dall'umanità.
Da un punto di vista scientifico, questo compito sembra quasi impossibile. Basta dividere l'acqua per generare idrogeno e ossigeno è già abbastanza difficile. Ma creare l'idrocarburo più semplice, il metano a carbonio singolo, che costituisce il gas naturale, è una proposta molto più complessa. Ciò richiederà la scoperta di ancora più nuovi materiali per assorbire la luce e catalizzare le reazioni chimiche. Di conseguenza, una tecnologia commerciale per produrre combustibili a base di carbonio direttamente dall'energia solare è molto più lontana di una in grado di produrre idrogeno.
Tuttavia, negli ultimi tre anni, Nocera ha fatto una serie di improbabili scoperte. Il primo è stato un cambiamento concettuale: invece di utilizzare dispositivi artificiali per battere la fotosintesi, perché non sfruttare invece la natura? Nocera sapeva che la natura usa intricati enzimi come catalizzatori nella fotosintesi per convertire la luce solare in zuccheri complessi. Si rese conto che i batteri geneticamente modificati potevano comportarsi in modo simile dopo essere stati dotati di un arsenale di potenti enzimi.
Quindi, nel 2015, Nocera ha costruito un dispositivo ibrido che prima divide l'acqua utilizzando un catalizzatore inorganico per produrre idrogeno, come fanno altre tecnologie di foglie artificiali. Lo stesso dispositivo ha quindi alimentato l'idrogeno, insieme all'anidride carbonica pura, ai batteri, che hanno prodotto combustibili liquidi. Ma sebbene gli insetti fossero fantastici nel convertire l'anidride carbonica e l'idrogeno in una varietà di combustibili, erano incompatibili con il catalizzatore inorganico, che produceva forme di ossigeno reattivo che distruggevano il DNA dei batteri.
Poi, nel 2016, Nocera e colleghi hanno pubblicato un articolo sulla rivista Scienza annunciando trionfalmente un nuovo catalizzatore, fatto da una lega di cobalto-fosforo. Non solo ha lasciato i batteri illesi, ma si è anche autoassemblato fuori dalla soluzione, imitando i catalizzatori autorigeneranti che si trovano in natura. Con il catalizzatore e i batteri che lavorano insieme in armonia, il dispositivo di Nocera è stato in grado di ottenere un'efficienza del 10% nella conversione della luce solare in combustibili alcolici. Nocera ha riferito che gli insetti dovrebbero essere in grado di produrre molte altre molecole contenenti carbonio per una vasta gamma di applicazioni, dal rifornimento di veicoli alla produzione di plastica. E ha proseguito dimostrando nel 2017 che un approccio ibrido catalizzatore più batteri potrebbe fissare l'azoto nell'atmosfera per produrre ammoniaca. Questa è una scoperta allettante perché oltre l'1% dell'energia globale viene utilizzata oggi nella produzione di ammoniaca per fertilizzare i raccolti e nutrire il mondo. Il prototipo di Nocera suggerisce che un giorno, la luce solare potrebbe alimentare quel processo piuttosto che i combustibili fossili.
La giuria non ha ancora deciso se la decisione di Nocera di sfruttare gli organismi viventi sia una buona idea. In effetti, i batteri sono piuttosto schizzinosi, sensibili all'acidità e alla temperatura del loro ambiente e quindi difficili da progettare. Il denaro intelligente, per ora, è su dispositivi che sfruttano la luce solare per produrre idrogeno che avanza più velocemente di quelli che cercano di produrre direttamente combustibili a base di carbonio. Ma, combinando materiali moderni con la magia della natura, i ricercatori possono ancora scavalcare il semplice idrogeno alla ricerca di una via praticabile verso l'ultimo Santo Graal: sostituti puliti al 100% per i combustibili fossili.
Estratto da Domare il sole: innovazioni per sfruttare l'energia solare e alimentare il pianeta di Varun Sivaram, pubblicato dalla MIT Press. 2018 Massachusetts Institute of Technology. Tutti i diritti riservati.