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Soddisfare il fabbisogno energetico mondiale con luce e acqua
Mentre ricercatori e tecnologi di tutto il mondo si affannano per trovare fonti di energia più pulite, alcuni chimici si stanno rivolgendo alla soluzione elegante della natura: la fotosintesi. Nella fotosintesi, le piante verdi usano l'energia della luce solare per abbattere l'acqua e l'anidride carbonica. Manipolando elettroni e atomi di idrogeno, ossigeno e carbonio in una serie di complesse reazioni chimiche, il processo alla fine produce la cellulosa e la lignina che formano la struttura della pianta, nonché l'energia immagazzinata sotto forma di zucchero. Capire come funziona questo processo, pensa Daniele Nocera , professore di chimica al MIT, potrebbe portare a modi per produrre e immagazzinare energia solare in forme pratiche per alimentare le auto e fornire elettricità anche quando il sole non splende.
Liberare energia: Daniel Nocera, professore di chimica al MIT, afferma che la ricerca di base sui processi chimici della fotosintesi potrebbe portare a una società alimentata dall'acqua e dalla luce solare.
Secondo Nocera, un noto esperto di fotosintesi, sono necessarie scoperte nella nostra comprensione dei processi chimici fondamentali che rendono possibile la fotosintesi. Sta studiando i principi alla base della fotosintesi e applicando ciò che impara alla creazione di catalizzatori che utilizzano l'energia solare per creare gas idrogeno per le celle a combustibile. L'obiettivo di Nocera: un mondo alimentato da luce e acqua.
Revisione della tecnologia : Qual è la più grande sfida legata all'energia in questo momento?
Daniele Nocera : La vera sfida con l'energia è il problema del ridimensionamento. Avremo questo enorme fabbisogno energetico e quando inizi a guardare tutti i numeri, c'è solo una fornitura che ha una scala, ed è il sole. Ma è ancora un problema di ricerca. Le tecnologie seguono tutte le linee; poi c'è una scoperta e una nuova linea che è meglio. Siamo su una linea molto prevedibile ora nel solare. La maggior parte delle cose di cui si sente parlare sono progressi incrementali.
BAMBINI : Stai studiando la fotosintesi per avere idee su come convertire la luce solare in un combustibile chimico, l'idrogeno, da utilizzare quando il sole non splende o per alimentare veicoli a celle a combustibile.
DN : È possibile utilizzare l'elettricità direttamente quando c'è il sole, in luoghi soleggiati. [Ma] hai bisogno di spazio di archiviazione. Non c'è assolutamente alcun modo per aggirarlo. Sto distillando l'essenza della fotosintesi per poterla usare.
BAMBINI : Perché la fotosintesi è attraente per trovare una fonte di energia pulita?
DN : [Fotosintesi] fa tre cose. Cattura la luce del sole e [secondo] la converte in una corrente wireless: le foglie ronzano di elettricità. E terzo, fa l'archiviazione. Immagazzina l'energia luminosa convertita in energia chimica. E usa quell'energia chimica per il suo processo vitale, e poi ne immagazzina un po'.
Si scopre che la fotosintesi è una delle macchine più efficienti al mondo per la conversione dell'energia. Ma non è ottimo per immagazzinare energia perché non è quello per cui [un impianto] è stato costruito. È stato costruito per vivere, crescere e riprodursi.
E quindi questo è l'approccio che adottiamo. Possiamo ora fare ciò che fa artificialmente la foglia, ovvero la cattura, la conversione e l'immagazzinamento nei legami chimici? Ma il mio dispositivo non deve vivere: può richiedere molta più energia e metterla in legami chimici.
BAMBINI : E hai avuto un certo successo mettendo in pratica ciò che hai imparato.
DN : Abbiamo realizzato un composto che produce idrogeno usando la luce. Abbiamo qualcosa che puoi sciogliere in una soluzione, illuminarlo e l'idrogeno arriva a gorgogliare. Non lo ha fatto in modo così efficiente. Ma è stato un grande progresso perché conteneva molti nuovi concetti per mostrare come è possibile utilizzare la luce solare per produrre idrogeno.
BAMBINI : Quali sono alcuni dei problemi di ricerca che stai affrontando che speri possano portare a un grande passo avanti nel solare?
DN : Qualcosa su cui abbiamo davvero lavorato duramente è [capire] i principi di progettazione su cui opera la fotosintesi.
Uno è che quando [la fotosintesi] divide l'acqua in idrogeno e ossigeno, utilizza più di un elettrone. Questa corrente che scorre sta andando un elettrone alla volta. Ma poi [la pianta] li immagazzina e usa quattro elettroni contemporaneamente. Non sappiamo come fare molto bene le reazioni multielettrone. Non abbiamo nemmeno teorie per descriverli.
E poi devi gestire i protoni, ed è quello che la biologia fa davvero bene. Prende corrente elettrica e poi la converte in corrente chimica, e la cosa che conduce la corrente chimica sono i protoni. E poi invia atomi. Quello che fa un fotovoltaico è inviare elettroni in un punto. La fotosintesi in realtà non invia un elettrone ma un atomo. Ed è una cosa ancora più difficile da fare perché gli atomi sono molto più pesanti degli elettroni. Quindi siamo andati in profondità nella comprensione, come si spostano gli atomi [come gli atomi di idrogeno] dal punto A al punto B in modo che possano unirsi l'uno con l'altro? Come si assemblano in modo che possano unirsi?
BAMBINI : Hai scritto che la chimica giocherà probabilmente il ruolo più centrale di tutte le scienze nell'affrontare i problemi energetici. Come riassumeresti il ruolo della chimica?
DN : Per i giocatori che cambiano il gioco, è davvero facile. Ce ne sono tre.
Rendere economico il fotovoltaico, che è un sacco di chimica. Sta inventando nuovi materiali per rendere il fotovoltaico economico.
Sostituisci i metalli nobili, cose come il platino, con metalli abbondanti. Perché non c'è abbastanza roba. Quando parli di così tante dimensioni, è meglio usare cose come ferro e manganese. Faresti meglio a guardare il tuo libro che dice quali sono gli elementi più abbondanti sulla faccia della terra.
BAMBINI : E questo vale per le celle a combustibile e anche per il fotovoltaico.
DN : Fotovoltaico: tutto. Questo è il vero problema tecnologico che devi tenere a mente. Non è qualcosa di così eccezionale, è efficiente al 100% e, a proposito, sto usando il rutenio. Posso usare il rutenio ora per insegnarmi un principio, ma il rutenio è al di sotto del ferro [nella tavola periodica]. Quindi è meglio capire, come posso prendere tutto ciò che sto imparando con il rutenio e applicarlo al ferro?
BAMBINI : E il terzo punto di svolta?
DN : Dividere l'acqua con la luce. Fai queste tre cose e hai una nuova economia energetica. È difficile per me dire esattamente come sarà quella tecnologia, perché manca la scienza. Ma all'inizio del 1900 abbiamo costruito un'intera società basata su un nuovo sistema energetico. E credo che, una volta che il solare sarà installato, con l'aiuto dei biocarburanti, con un piccolo aiuto dell'eolico, inventeremo di nuovo la nostra società partendo da una nuova fonte di energia.