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La strada per i combustibili solari colpisce un dosso
Quando ho visitato il Lawrence Berkeley National Laboratory a marzo, Frances Houle, il vicedirettore del Centro congiunto per la fotosintesi artificiale , ha sfoggiato una delle ultime anticipazioni del centro. È un dispositivo che scompone l'acqua in idrogeno e ossigeno alla luce del sole. I ricercatori del laboratorio avevano precedentemente utilizzato la luce artificiale per guidare il processo; questa era la prima volta che lo facevano con la luce naturale. Fissato a un sottile supporto di metallo sul tetto dell'edificio del centro sopra Berkeley, con una vista spettacolare a ovest sulla baia di San Francisco, il piccolo dispositivo ha una cella solare che fornisce l'energia necessaria a un catalizzatore chimico per dividere l'acqua. Nella parte superiore del dispositivo, gorgogliava idrogeno puro.
Creato nel 2010 sotto il Segretario all'Energia Steven Chu, il centro, comunemente chiamato JCAP, ha un obiettivo audace: creare combustibili utilizzando solo luce solare, anidride carbonica e acqua (vedi Lo sforzo di fotosintesi artificiale mette radici). Fatto economicamente, sarebbe un risultato prometeico, che rappresenta un enorme passo avanti verso la soluzione delle due sfide in sospeso nel passaggio dai combustibili fossili all'energia rinnovabile: immagazzinare grandi quantità di energia per un uso successivo e alimentare forme di trasporto che non possono funzionare facilmente a batterie.
Tutti gli studi su un sistema di energia pulita che abbia mai visto identificano le stesse due lacune tecnologiche, afferma Nate Lewis , direttore fondatore del centro. Accumulo di energia su scala di rete per compensare l'intermittenza dell'energia eolica e solare e un combustibile liquido per il trasporto ad alta densità di energia e a emissioni zero. Trasformare la luce solare in combustibile consentirebbe all'energia solare catturata durante il giorno di essere immagazzinata, trasportata e utilizzata quando il sole non splende. Lo stesso carburante potrebbe sostituire i combustibili fossili che alimentano gli aerei e le navi di oggi. Non esistono cose come un aeroplano elettrico o una nave plug-in, aggiunge Lewis.
Uno dei principali risultati di JCAP sono stati i dispositivi a energia solare in grado di dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno, un primo passo importante sulla strada della fotosintesi artificiale.
Ospitato presso Caltech e Lawrence Berkeley Lab, JCAP è stato originariamente finanziato con 122 milioni di dollari in cinque anni e il suo finanziamento è stato rinnovato (anche se a un livello inferiore) lo scorso anno. Ora guidato da Harry Atwater, un professore di fisica applicata del Caltech, ha ottenuto risultati impressionanti nei suoi sei anni di esistenza. In particolare, gli scienziati del JCAP sono riusciti a costruire dispositivi come quello che ho visto, prototipi in grado di scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno con un'efficienza 10 volte superiore alla fotosintesi. Questo è un primo passo importante verso la fotosintesi artificiale; il prossimo passo sarebbe combinare l'idrogeno con l'anidride carbonica per produrre combustibili solari che potrebbero sostituire i combustibili fossili.
Nell'ultimo anno, tuttavia, JCAP ha compiuto un significativo cambiamento di direzione. Il Dipartimento dell'Energia ha rinnovato il suo finanziamento lo scorso anno a 15 milioni di dollari l'anno, quasi il 40 per cento in meno rispetto al precedente periodo di cinque anni. Inoltre, i funzionari del DOE hanno incaricato gli scienziati di concentrare i loro sforzi lontano dalla produzione di dispositivi che potrebbero essere commercializzati nei prossimi anni e verso la ricerca scientifica di base sui complessi processi alla base della fotosintesi artificiale. L'obiettivo originale di JCAP, secondo l'annuncio nel 2010 della sua fondazione , era quello di sviluppare un sistema integrato di conversione dell'energia solare in combustibile chimico e spostare questo sistema dalla fase di scoperta da banco a una scala tale da poter essere commercializzato. Ora il suo mandato non va più oltre la fase di scoperta.
Nei suoi primi cinque anni, JCAP si è concentrato principalmente sul carburante a idrogeno, afferma Christopher Fecko, responsabile del programma per JCAP nel DOE's Ufficio della Scienza . Affrontare la sfida scientifica di fondo della fotosintesi artificiale completa richiederà una ricerca scientifica di base e trasformativa e la scoperta che alla fine consentirà queste tecnologie, dice, e stiamo facendo eccellenti progressi. L'implementazione della tecnologia e la produzione commerciale sono nel futuro.
In futuro potrebbe significare tra cinque anni o qualche decennio. Il ritiro dall'elaborare una soluzione funzionante il più velocemente possibile è un'ammissione che l'obiettivo originale di JCAP della fotosintesi artificiale è molto più difficile e più lontano di quanto gli scienziati avessero capito nel 2010. È anche una decisione tattica di non spendere soldi federali per creare un dispositivo funzionante per produrre idrogeno, anche se questa tecnologia è molto più vicina alla commercializzazione.
La mia visione originale era quella di dare agli scienziati un ampio margine di manovra e lasciare che scegliessero la direzione che ritengono più promettente in modo che possano effettivamente mettere insieme qualcosa, dice Chu, che ha lasciato il DOE nel 2013 ed è ora professore di fisica e molecolare e fisiologia cellulare a Stanford. Oggi, aggiunge, non credo che gli venga data la libertà che immaginavo.
Il primo passo nella fotosintesi è dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno, che viene rilasciato come sottoprodotto. L'idrogeno reagisce quindi con l'anidride carbonica per produrre carboidrati, che alimentano la crescita delle piante. La fotosintesi artificiale cerca di utilizzare gli stessi input - energia solare, acqua e anidride carbonica - per produrre combustibili liquidi ad alta densità di energia. Se quei combustibili fossero derivati dall'anidride carbonica catturata dall'aria, il processo potrebbe essere a emissioni zero, in altre parole, non aggiungerebbe nuove emissioni di gas serra nell'atmosfera.
Con sede presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, JCAP è stato concepito come un incubatore di tecnologie simili ai Bell Labs che potrebbero essere rapidamente commercializzate.
Dal 2010, quando è stata costituita la JCAP, la ricerca sulla fotosintesi artificiale e sui combustibili solari ha acquisito slancio in tutto il mondo. Esistono consorzi nazionali di ricerca e sviluppo che attaccano il problema in Giappone, Svezia e altri paesi. Il DOE supporta altri programmi, come il Centro di ricerca sulla frontiera dell'energia per i combustibili solari presso l'Università della Carolina del Nord. Startup come Opus12 , fondata da un trio di studenti laureati di Stanford, e Luce liquida , guidato dal professore di chimica di Princeton Andrew Bocarsly, stanno cercando di costruire affari con la fotosintesi artificiale.
La domanda è: daranno frutti in tempo per aiutare a limitare il cambiamento climatico globale? Un problema è che rendere i combustibili solari a emissioni zero richiederà intere nuove tecnologie e infrastrutture per catturare il carbonio dall'aria o le emissioni degli impianti a combustibili fossili.
L'altro problema è che convertire l'anidride carbonica per completare il processo di fotosintesi è molto, molto difficile. Implica sei fasi chimiche separate e non esiste un catalizzatore noto che converta l'anidride carbonica in carburante in modo efficiente e selettivo, come avviene per la reazione di scissione dell'acqua.
La sfida che JCAP sta affrontando nei suoi secondi cinque anni è in realtà più fondamentale e difficile per molti aspetti rispetto allo sforzo del carburante a idrogeno, ma di grande potenziale guadagno, afferma Fecko.
Il cambiamento, afferma Harry Atwater, il successore di Lewis come direttore del JCAP, ha spinto l'intera impresa non alla prototipazione e alle attività di ampliamento, ma a un focus molto più forte sulla ricerca di base. Tale focus è in linea con gli obiettivi dei DOE Programma di scienze energetiche di base , che controlla il finanziamento di JCAP. Ma non ci avvicinerà più, nel breve termine, alla costruzione di dispositivi e alla creazione di un'industria attorno ai combustibili solari.
Ecco perché Nate Lewis ritiene che l'abbandono della prototipazione e del potenziamento dei dispositivi che generano idrogeno sia stato un errore. L'idrogeno stesso è un utile prodotto finale, sostiene Lewis. Può essere bruciato direttamente nei motori a combustione interna modificati. Può essere convertito in carburante sintetico tramite il Processo Fischer-Tropsch . Può essere utilizzato nelle celle a combustibile per immagazzinare energia e produrre elettricità, lasciando solo l'acqua come prodotto di scarto. I prototipi di scissione dell'acqua sviluppati al JCAP richiederanno ancora un ampio sviluppo per essere trasformati in utili dispositivi commerciali. Ma Lewis è fiducioso di poterci arrivare, e in un tempo relativamente breve: se avessimo meno di 5 milioni di dollari all'anno, sono abbastanza fiducioso che potremmo arrivarci in cinque anni, ed è la prima volta che lo dico , lui dice.
Gli scienziati del JCAP Sonjia Francis (a destra) e Dan Torelli (a sinistra) studiano la riduzione elettrochimica dell'anidride carbonica in combustibile liquido. JCAP ha spostato la sua attenzione dall'elaborazione di soluzioni alla ricerca scientifica di base.
Per ora, tuttavia, tale lavoro non sarà svolto tramite JCAP. Lewis sostiene la ricerca continua sulla fotosintesi artificiale su vasta scala. Ma considera il reindirizzamento di JCAP come un abbandono efficace di una promettente tecnologia per l'energia pulita, la scissione dell'acqua per la produzione di idrogeno, che potrebbe essere commercializzata molto prima. La ricerca di base sulla conversione dell'anidride carbonica è un ambito e un obiettivo molto ristretti, dice. I combustibili solari dovrebbero essere molto più ampi della scelta di un modo specifico per arrivarci e definanziare altre opzioni.
Atwater e Fecko affermano che l'invenzione di un dispositivo per la divisione dell'acqua è stata un'importante pietra miliare che altri laboratori e altri ricercatori possono portare a compimento. Il nostro compito è fare progressi nella ricerca che diano origine a opzioni tecnologiche, afferma Atwater. Siamo scienziati, non possiamo spingere la palla fino alla linea di porta.
Raggiungere la linea di porta, però, era l'obiettivo originario prefissato da Chu quando fu fondato il centro. In un certo senso, JCAP è un caso di studio sulla promessa e sui pericoli del finanziamento federale a lungo termine per le tecnologie energetiche. Chu parla mestamente della strada non intrapresa dal programma che ha creato nel 2010. La scienza di base è una cosa necessaria e meravigliosa, dice. Ma non è quello che avevo in mente.