Sole + Acqua = Carburante

Ti mostrerò qualcosa che non ho ancora mostrato a nessuno, ha detto Daniel Nocera, professore di chimica al MIT, parlando questo maggio a un auditorium pieno di scienziati e funzionari energetici del governo degli Stati Uniti. Ha chiesto al direttore della casa di abbassare le luci. Poi ha iniziato un video. Puoi vedere che? chiese concitato, indicando le bolle che salivano da una striscia di materiale immersa nell'acqua. L'ossigeno fuoriesce da questo elettrodo. Poi ha aggiunto, in modo un po' criptico, Questo è il futuro. Abbiamo la foglia.

Invidia fogliare: Il chimico del MIT Daniel Nocera ha imitato la fase della fotosintesi in cui le piante verdi dividono l'acqua.

Quello che Nocera stava dimostrando era una reazione che genera ossigeno dall'acqua proprio come fanno le piante verdi durante la fotosintesi, un risultato che potrebbe avere profonde implicazioni per il dibattito sull'energia. Eseguita con l'aiuto di un catalizzatore da lui sviluppato, la reazione è il primo e più difficile passo nella scissione dell'acqua per produrre idrogeno. E generare in modo efficiente l'idrogeno dall'acqua, ritiene Nocera, aiuterà a superare uno dei principali ostacoli che impediscono all'energia solare di diventare una fonte di elettricità dominante: non esiste un modo economico per immagazzinare l'energia raccolta dai pannelli solari in modo che possa essere utilizzata a notte o durante le giornate nuvolose.

L'energia solare ha un potenziale unico per generare grandi quantità di energia pulita che non contribuisce al riscaldamento globale. Ma senza un mezzo economico per immagazzinare questa energia, l'energia solare non può sostituire i combustibili fossili su larga scala. Nello scenario di Nocera, la luce del sole dividerebbe l'acqua per produrre combustibile a idrogeno versatile e facile da immagazzinare che potrebbe essere successivamente bruciato in un generatore a combustione interna o ricombinato con l'ossigeno in una cella a combustibile. Ancora più ambizioso, la reazione potrebbe essere utilizzata per dividere l'acqua di mare; in tal caso, far passare l'idrogeno attraverso una cella a combustibile produrrebbe acqua dolce ed elettricità.

Immagazzinare l'energia del sole imitando la fotosintesi è qualcosa che gli scienziati hanno cercato di fare dai primi anni '70. In particolare, hanno cercato di replicare il modo in cui le piante verdi scompongono l'acqua. I chimici, ovviamente, possono già dividere l'acqua. Ma il processo ha richiesto temperature elevate, soluzioni alcaline aggressive o catalizzatori rari e costosi come il platino. Quello che Nocera ha ideato è un catalizzatore economico che produce ossigeno dall'acqua a temperatura ambiente e senza sostanze chimiche caustiche, le stesse condizioni benigne che si trovano nelle piante. Diversi altri catalizzatori promettenti, incluso un altro sviluppato da Nocera, potrebbero essere utilizzati per completare il processo e produrre gas idrogeno.

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• Daniel Nocera descrive le sfide della fotosintesi artificiale in un discorso tenuto prima del suo recente progresso.

Nocera vede due modi per trarre vantaggio dalla sua svolta. Nella prima, un pannello solare convenzionale catturerebbe la luce solare per produrre elettricità; a sua volta, quell'elettricità alimenterebbe un dispositivo chiamato elettrolizzatore, che utilizzerebbe i suoi catalizzatori per dividere l'acqua. Il secondo approccio impiegherebbe un sistema che imita più da vicino la struttura di una foglia. I catalizzatori verrebbero schierati fianco a fianco con speciali molecole di colorante progettate per assorbire la luce solare; l'energia catturata dai coloranti guiderebbe la reazione di scissione dell'acqua. In entrambi i casi, l'energia solare verrebbe convertita in combustibile a idrogeno che potrebbe essere facilmente immagazzinato e utilizzato di notte o ogni volta che è necessario.

Le audaci affermazioni di Nocera sull'importanza del suo progresso sono del tipo che i chimici accademici di solito sono restii a fare di fronte ai loro coetanei. In effetti, un certo numero di esperti si è chiesto quanto bene il suo sistema possa essere scalato e quanto sarà economico. Ma Nocera non accenna a tirarsi indietro. Con questa scoperta, cambio totalmente il dialogo, ha detto al pubblico a maggio. Tutti i vecchi argomenti finiscono dalla finestra.

Il lato oscuro del solare
La luce del sole è la più grande fonte potenziale di energia rinnovabile al mondo, ma tale potenziale potrebbe facilmente non essere realizzato. Non solo i pannelli solari non funzionano di notte, ma la produzione diurna aumenta e diminuisce man mano che le nuvole passano sopra la testa. Ecco perché oggi la maggior parte dei pannelli solari, sia quelli dei parchi solari costruiti dalle utility, sia quelli montati sui tetti delle case e delle aziende, sono collegati alla rete elettrica. Durante le giornate di sole, quando i pannelli solari funzionano al massimo della capacità, i proprietari di case e le aziende possono vendere l'energia in eccesso alle utility. Ma generalmente devono fare affidamento sulla griglia di notte o quando le nuvole ombreggiano i pannelli.

Questo sistema funziona solo perché l'energia solare dà un contributo così esiguo alla produzione complessiva di elettricità: soddisfa una piccola frazione dell'1 per cento della domanda totale negli Stati Uniti. Man mano che il contributo dell'energia solare cresce, la sua inaffidabilità diventerà un problema sempre più serio.

Se l'energia solare cresce abbastanza da fornire solo il 10% dell'elettricità totale, i servizi pubblici dovranno decidere cosa fare quando le nuvole si spostano durante i periodi di picco della domanda, afferma Ryan Wiser, un ricercatore che studia i mercati dell'elettricità presso il Lawrence Berkeley National Laboratory. a Berkeley, CA. O le utility dovranno gestire impianti di gas naturale aggiuntivi che possono aumentare rapidamente per compensare la potenza persa, oppure dovranno investire nell'accumulo di energia. La prima opzione è attualmente più economica, afferma Wiser: lo stoccaggio elettrico è semplicemente troppo costoso.

Ma se contiamo sull'energia solare per oltre il 20% circa dell'elettricità totale, dice, inizierà a contribuire a quella che viene chiamata potenza del carico di base, la quantità di energia necessaria per soddisfare la domanda minima. E la potenza del carico di base (che ora è fornita principalmente da centrali a carbone) deve essere fornita a un ritmo relativamente costante. L'energia solare non può essere sfruttata per questo scopo a meno che non possa essere immagazzinata su larga scala per l'uso 24 ore al giorno, con il bel tempo e il cattivo tempo.

In breve, affinché il solare diventi una fonte primaria di elettricità, saranno necessarie grandi quantità di stoccaggio a prezzi accessibili. E le opzioni odierne per immagazzinare l'elettricità non sono pratiche su una scala abbastanza ampia, afferma Nathan Lewis, professore di chimica al Caltech. Prendi uno dei metodi meno costosi: usare l'elettricità per pompare l'acqua in salita e poi far scorrere l'acqua attraverso una turbina per generare elettricità in seguito. Un chilogrammo di acqua pompata a 100 metri immagazzina circa un kilojoule di energia. In confronto, un chilogrammo di benzina immagazzina circa 45.000 kilojoule. Immagazzinare abbastanza energia in questo modo richiederebbe enormi dighe e enormi bacini idrici che verrebbero svuotati e riempiti ogni giorno. E prova a trovare abbastanza acqua in posti come Arizona e Nevada, dove la luce del sole è particolarmente abbondante.

Le batterie, nel frattempo, sono costose: potrebbero aggiungere 10.000 dollari al costo di un tipico sistema solare domestico. E sebbene stiano migliorando, immagazzinano ancora molta meno energia rispetto a combustibili come la benzina e l'idrogeno sotto forma di legami chimici. Le migliori batterie immagazzinano circa 300 wattora di energia per chilogrammo, dice Lewis, mentre la benzina immagazzina 13.000 wattora per chilogrammo. I numeri rendono ovvio che i combustibili chimici sono l'unico modo ad alta densità energetica per ottenere un enorme accumulo di energia, afferma Lewis. Di questi combustibili, non solo l'idrogeno è potenzialmente più pulito della benzina, ma in peso immagazzina molta più energia, circa tre volte di più, anche se occupa più spazio perché è un gas.

La sfida consiste nell'utilizzare l'energia del sole per produrre tali combustibili in modo economico ed efficiente. È qui che entrano in gioco gli sforzi di Nocera per imitare la fotosintesi.

Fotosintesi in un bicchiere: In una configurazione sperimentale che riproduce le condizioni benigne riscontrate nelle piante fotosintetiche, -Daniel ¬Nocera ha dimostrato un modo semplice e potenzialmente economico per produrre gas idrogeno. Quando viene applicata una tensione, cobalto e fosfato in soluzione (a sinistra) si accumulano su un elettrodo per formare un catalizzatore, che rilascia ossigeno gassoso dall'acqua mentre gli elettroni fluiscono attraverso l'elettrodo. Gli ioni idrogeno scorrono attraverso una membrana; dall'altro, l'idrogeno gassoso è prodotto da un catalizzatore al nichel metallico (anche Nocera ha utilizzato un catalizzatore al platino).

Imitare le piante
Nella vera fotosintesi, le piante verdi usano la clorofilla per catturare l'energia dalla luce solare e poi usano quell'energia per guidare una serie di complesse reazioni chimiche che trasformano l'acqua e l'anidride carbonica in carboidrati ricchi di energia come amido e zucchero. Ma ciò che interessa principalmente a molti ricercatori è una fase iniziale del processo, in cui una combinazione di proteine ​​e catalizzatori inorganici aiuta a rompere l'acqua in modo efficiente in ossigeno e ioni idrogeno.

Il campo della fotosintesi artificiale ha avuto un rapido avvio. All'inizio degli anni '70, uno studente laureato presso l'Università di Tokyo, Akira Fujishima, e il suo relatore di tesi, Kenichi Honda, hanno dimostrato che gli elettrodi realizzati con biossido di titanio, un componente della vernice bianca, dividerebbero lentamente l'acqua se esposti alla luce di un luminoso , lampada allo xeno da 500 watt. La scoperta ha stabilito che la luce potrebbe essere utilizzata per dividere l'acqua all'esterno delle piante. Nel 1974, Thomas Meyer, professore di chimica presso l'Università della Carolina del Nord, Chapel Hill, dimostrò che un colorante a base di rutenio, quando esposto alla luce, subiva cambiamenti chimici che gli davano il potenziale per ossidare l'acqua o estrarre elettroni da essa. –il primo passo fondamentale nella scissione dell'acqua.

In definitiva, nessuna delle due tecniche si è rivelata pratica. Il biossido di titanio non poteva assorbire abbastanza luce solare e lo stato chimico indotto dalla luce nel colorante di Meyer era troppo transitorio per essere utile. Ma i progressi hanno stimolato l'immaginazione degli scienziati. Potresti guardare avanti e vedere dove andare e, almeno in linea di principio, mettere insieme i pezzi, dice Meyer.

Nei decenni successivi, gli scienziati hanno studiato le strutture e i materiali delle piante che assorbono la luce solare e ne immagazzinano l'energia. Hanno scoperto che le piante coreografano attentamente il movimento delle molecole d'acqua, degli elettroni e degli ioni idrogeno, ovvero dei protoni. Ma molto sui precisi meccanismi coinvolti è rimasto sconosciuto. Poi, nel 2004, i ricercatori dell'Imperial College di Londra hanno identificato la struttura di un gruppo di proteine ​​e metalli che è cruciale per liberare l'ossigeno dall'acqua nelle piante. Hanno dimostrato che il cuore di questo complesso catalitico era un insieme di proteine, atomi di ossigeno e ioni manganese e calcio che interagiscono in modi specifici.

Non appena l'abbiamo visto, potremmo iniziare a progettare sistemi, dice Nocera, che ha cercato di comprendere appieno la chimica alla base della fotosintesi dal 1984. Leggendo questa road map, dice, il suo gruppo ha deciso di gestire protoni ed elettroni un po' come le piante lo fanno, ma utilizzando solo materiali inorganici, che sono più robusti e stabili delle proteine.

Inizialmente, Nocera non ha affrontato la sfida più grande, tirando fuori l'ossigeno dall'acqua. Piuttosto, per ottenere le nostre rotelle, iniziò con la reazione inversa: combinare l'ossigeno con protoni ed elettroni per formare l'acqua. Ha scoperto che alcuni composti complessi a base di cobalto erano buoni catalizzatori per questa reazione. Quindi, quando è arrivato il momento di provare a dividere l'acqua, ha deciso di utilizzare composti di cobalto simili.

Nocera sapeva che lavorare con questi composti in acqua potrebbe essere un problema, poiché il cobalto può dissolversi. Non sorprende, dice, che in pochi giorni ci siamo resi conto che il cobalto stava cadendo da questo elaborato composto che abbiamo realizzato. Sventati i suoi tentativi iniziali, decise di adottare un approccio diverso. Invece di usare un composto complesso, ha testato l'attività catalitica del cobalto disciolto, con un po' di fosfato aggiunto all'acqua per aiutare la reazione. Abbiamo detto, dimentichiamo tutte le cose elaborate e usiamo direttamente il cobalto, dice.

Solar va da solo: La fotosintesi artificiale potrebbe fornire un modo pratico per immagazzinare l'energia prodotta dall'energia solare, liberando le case delle persone dalla rete elettrica. In questo schema, l'elettricità dei pannelli solari alimenta un elettrolizzatore, che rompe l'acqua in idrogeno e ossigeno. L'idrogeno viene immagazzinato; di notte o nelle giornate nuvolose, viene immessa in una cella a combustibile per produrre elettricità per luci, elettrodomestici e persino auto elettriche. Nelle giornate di sole, parte dell'energia solare viene utilizzata direttamente, aggirando la fase di produzione dell'idrogeno.

L'esperimento ha funzionato meglio di quanto Nocera e i suoi colleghi si aspettassero. Quando è stata applicata una corrente a un elettrodo immerso nella soluzione, cobalto e fosfato si sono accumulati su di esso in una pellicola sottile e in pochi minuti ha iniziato a formarsi un denso strato di bolle. Ulteriori test hanno confermato che le bolle erano l'ossigeno rilasciato dalla scissione dell'acqua. Ecco la fortuna, dice Nocera. Non c'era motivo per noi di aspettarci che il semplice cobalto con fosfato, rispetto al cobalto legato in uno dei nostri complessi, avrebbe funzionato così bene. Non potevo prevederlo. La roba che cadeva dai composti si è rivelata essere ciò di cui avevamo bisogno.

Adesso vogliamo capirlo, continua. Voglio sapere perché diavolo il cobalto in questo film sottile è così attivo. Potrei essere in grado di migliorarlo o utilizzare un metallo diverso che è migliore. Allo stesso tempo, vuole iniziare a lavorare con gli ingegneri per ottimizzare il processo e realizzare una cella efficiente per la scissione dell'acqua, che incorpori catalizzatori per generare sia ossigeno che idrogeno. Eravamo davvero interessati alla scienza di base. Possiamo creare un catalizzatore che funzioni in modo efficiente nelle condizioni della fotosintesi? lui dice. La risposta ora è sì, possiamo farlo. Ora dobbiamo davvero arrivare alla tecnologia di progettazione di una cella.

Catalizzare un dibattito
La scoperta di Nocera ha raccolto molte attenzioni, e non tutte lusinghiere. Molti chimici trovano le sue affermazioni esagerate; non contestano le sue scoperte, ma dubitano che avranno le conseguenze che immagina. L'affermazione che questa sia la risposta per la fotosintesi artificiale è folle, dice Thomas Meyer, che è stato un mentore di Nocera. Dice che mentre i catalizzatori di Nocera potrebbero rivelarsi tecnologicamente importanti, il progresso è una scoperta della ricerca e non c'è alcuna garanzia che possa essere ampliato o addirittura reso pratico.

Molte obiezioni dei critici ruotano attorno all'incapacità del laboratorio di Nocera di dividere l'acqua quasi con la stessa rapidità degli elettrolizzatori commerciali. Più veloce è il sistema, più piccola sarebbe un'unità commerciale che producesse una data quantità di idrogeno e ossigeno. E i sistemi più piccoli, in generale, sono più economici.

Il modo per confrontare diversi catalizzatori è osservare la loro densità di corrente, ovvero la corrente elettrica per centimetro quadrato, quando sono al massimo dell'efficienza. Maggiore è la corrente, più velocemente il catalizzatore può produrre ossigeno. Nocera ha riportato risultati di 1 milliampere per centimetro quadrato, anche se dice di aver raggiunto 10 milliampere da allora. Gli elettrolizzatori commerciali in genere funzionano a circa 1.000 milliampere per centimetro quadrato. Almeno quello che ha pubblicato finora non funzionerebbe mai per un elettrolizzatore commerciale, dove la densità di corrente è da 800 a 2000 volte maggiore, afferma John Turner, ricercatore presso il National Renewable Energy Laboratory di Golden, CO.

Altri esperti mettono in dubbio l'intero principio della conversione della luce solare in elettricità, quindi in un combustibile chimico e poi di nuovo in elettricità. Suggeriscono che mentre le batterie immagazzinano molta meno energia rispetto ai combustibili chimici, sono comunque molto più efficienti, perché usare l'elettricità per produrre combustibili e poi usare i combustibili per generare elettricità spreca energia ad ogni passo. Sarebbe meglio, dicono, concentrarsi sul miglioramento della tecnologia delle batterie o altre forme simili di accumulo elettrico, piuttosto che sullo sviluppo di separatori d'acqua e celle a combustibile. Come dice Ryan Wiser, l'elettrolisi è [attualmente] inefficiente, quindi perché dovresti farlo?

La Foglia Artificiale
Michael Grätzel, tuttavia, potrebbe avere un modo intelligente per trasformare la scoperta di Nocera in un uso pratico. Professore di chimica e ingegneria chimica presso l'École Polytechnique Fédérale di Losanna, in Svizzera, è stata una delle prime persone a cui Nocera ha parlato del suo nuovo catalizzatore. Era così eccitato, dice Grätzel. Mi ha portato in un ristorante e ha comprato una bottiglia di vino tremendamente costosa.

Nel 1991, Grätzel ha inventato un nuovo promettente tipo di cella solare. Utilizza un colorante contenente rutenio, che agisce in modo molto simile alla clorofilla di una pianta, assorbendo la luce e rilasciando elettroni. Nella cella solare di Grätzel, tuttavia, gli elettroni non innescano una reazione di scissione dell'acqua. Invece, vengono raccolti da un film di biossido di titanio e diretti attraverso un circuito esterno, generando elettricità. Grätzel ora pensa di poter integrare la sua cella solare e il catalizzatore di Nocera in un unico dispositivo che cattura l'energia dalla luce solare e la usa per dividere l'acqua.

Se ha ragione, sarebbe un passo significativo verso la creazione di un dispositivo che, per molti versi, assomigli davvero a una foglia. L'idea è che il colorante di Grätzel prenderebbe il posto dell'elettrodo su cui si forma il catalizzatore nel sistema di Nocera. Il colorante stesso, se esposto alla luce, può generare la tensione necessaria per assemblare il catalizzatore. Il colorante agisce come un filo molecolare che allontana le cariche, afferma Grätzel. Il catalizzatore si assembla quindi dove è necessario, proprio sul colorante. Una volta formato il catalizzatore, la luce solare assorbita dal colorante guida le reazioni che scindono l'acqua. Grätzel afferma che il dispositivo potrebbe essere più efficiente ed economico rispetto all'utilizzo di un pannello solare e di un elettrolizzatore separati.

Un'altra possibilità su cui Nocera sta indagando è se il suo catalizzatore possa essere usato per dividere l'acqua di mare. Nei primi test, si comporta bene in presenza di sale e ora lo sta testando per vedere come gestisce altri composti trovati nel mare. Se funziona, il sistema di Nocera potrebbe affrontare qualcosa di più della semplice crisi energetica; potrebbe anche aiutare a risolvere la crescente carenza mondiale di acqua dolce.

Le foglie artificiali e i sistemi di desalinizzazione che producono carburante potrebbero sembrare grandiose promesse. Ma a molti scienziati, tali possibilità sembrano esasperatamente vicine; i chimici alla ricerca di nuove tecnologie energetiche sono stati scherniti per decenni dal fatto che le piante usano facilmente la luce solare per trasformare i materiali abbondanti in molecole ricche di energia. Lo vediamo accadere intorno a noi, ma è qualcosa che non possiamo davvero fare, afferma Paul Alivisatos, professore di chimica e scienza dei materiali all'Università della California, Berkeley, che sta conducendo uno sforzo al Lawrence Berkeley National Laboratory per imitare fotosintesi per via chimica.

Ma presto, usando il progetto della natura, gli esseri umani potrebbero usare il sole per produrre combustibili da un bicchiere d'acqua, come dice Nocera. Quell'idea ha un'eleganza che qualsiasi chimico può apprezzare e possibilità che tutti dovrebbero trovare speranzose.

Kevin Bullis è Revisione della tecnologia 's Energy Editor.

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