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Una 'foglia artificiale' più verde
La fotosintesi, il modo in cui la natura converte la luce solare in carburante, avviene intorno a noi, dalle foglie di un albero al più piccolo filo d'erba. Ma trovare un modo per imitare l'abilità in modo economico ed efficiente ha confuso gli ingegneri per decenni.
Foglie non verdi: Il silicio rivestito con catalizzatori economici divide l'acqua in idrogeno e ossigeno all'interno di un contenitore d'acqua illuminato.
Ora i ricercatori hanno fatto un passo avanti verso questa impresa sfuggente, con un dispositivo che è ancora più efficiente della fotosintesi naturale e si basa su materiali abbondanti e a basso costo.
Le celle solari convenzionali producono elettricità quando un materiale fotovoltaico è esposto alla luce. Il nuovo dispositivo fa un ulteriore passo avanti, utilizzando l'elettricità risultante per dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno, che possono essere immagazzinati e utilizzati per generare elettricità tramite una cella a combustibile.
Il nuovo dispositivo è ancora in fase di sviluppo iniziale in laboratorio e rimangono sfide significative prima che possa essere commercializzato.
Daniele Nocera , un professore del MIT, ha rivelato i dettagli preliminari del dispositivo, che chiama la prima foglia artificiale pratica, all'incontro nazionale dell'American Chemical Society in California il 27 marzo. Il dispositivo combina una cella solare disponibile in commercio con un paio di economici catalizzatori a base di cobalto e nichel che scindono l'acqua in ossigeno e idrogeno. Utilizzando questo approccio, un pannello solare di circa un metro quadrato immerso nell'acqua potrebbe produrre abbastanza idrogeno per fornire elettricità sia di giorno che di notte a una casa in un paese in via di sviluppo, afferma Nocera.
Utilizzando una cella solare al silicio a film sottile che converte l'energia in luce con un'efficienza del 7%, Nocera afferma che il suo gruppo ha raggiunto un'efficienza del 5% per la conversione della luce solare in idrogeno. La fotosintesi naturale è meno dell'1% efficiente nel convertire la luce solare in energia.
Il dispositivo non è il primo a tentare di migliorare la fotosintesi naturale. Tuttavia, offre vantaggi distinti rispetto ai dispositivi precedenti, che utilizzavano costosi catalizzatori di metalli preziosi per dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno, o eseguivano la scissione dell'acqua indirettamente con un dispositivo separato, che è meno efficiente e più costoso.
Il dispositivo di Nocera è il primo ad utilizzare materiali catalitici economici e abbondanti che sono incorporati nella cella solare. Hai solo un pezzo di silicio ricoperto di catalizzatori che puoi mettere in un bicchiere d'acqua, e inizia a dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno, dice.
Il dispositivo è reso possibile da diversi recenti progressi. Nocera ha sviluppato per la prima volta un catalizzatore al cobalto in grado di scindere l'ossigeno dall'acqua nel 2008, ma il catalizzatore non poteva essere applicato direttamente al silicio perché bloccherebbe la luce solare in arrivo. Per il suo nuovo dispositivo, Nocera ha applicato al silicio una sottile pellicola di cobalto che blocca solo il 2-3 percento della luce in entrata. Prima di applicare il catalizzatore, ha rivestito il silicio con una sottile membrana che lo protegge dall'ossidazione ma consente il passaggio della corrente elettrica.
Un nuovo catalizzatore a base di nichel, anch'esso sviluppato di recente da Nocera, viene applicato all'altro lato del silicio per separare l'idrogeno dall'acqua. I catalizzatori al nichel già utilizzati in altri dispositivi per la scissione dell'acqua noti come elettrolizzatori verrebbero rapidamente resi inutili dal fosfato e dal borato presenti nell'acqua. I risultati dei primi test del dispositivo sono stati presentati per la pubblicazione. Dimostrano che può funzionare per almeno sei giorni senza un calo di efficienza, afferma Nocera.
John Turner , un ricercatore presso il National Renewable Energy Laboratory di Golden, in Colorado, afferma che la capacità di utilizzare un catalizzatore di cobalto virtualmente trasparente è un progresso chiave e l'efficienza riportata è promettente. Sta ottenendo la maggior parte dell'efficienza dalla cella, dice Turner. Se [inizia con] una cella dell'11 o 12 percento, che è disponibile in commercio, dovrebbe essere in grado di fare molto meglio. Ma dovremmo vedere cosa può fare una volta che avrà una cella migliore.
Tuttavia, afferma Turner, Nocera dovrà dimostrare tempi di esecuzione significativamente più lunghi, decine di migliaia di ore. Possono avere la durata, ma devono continuare a dimostrarlo, dice.
Catalytix solare , società fondata da Nocera, lavorerà ora con il colosso industriale indiano Tata per commercializzare la tecnologia per uso residenziale nei paesi in via di sviluppo. Le aziende stanno già lavorando insieme per sviluppare un altro dispositivo di fotosintesi artificiale sviluppato in precedenza da Nocera. Questo dispositivo iniziale sarà basato su un pannello solare da 100 watt e richiederà un elettrolizzatore separato collegato tramite fili al pannello. Dovrebbe essere venduto a circa $ 100.
Il dispositivo dovrebbe anche essere abbinato a una cella a combustibile per convertire l'idrogeno immagazzinato in elettricità. Nocera dice che spera di consegnare questo dispositivo per la produzione di idrogeno a energia solare a Tata entro la fine del 2011. La nuova foglia artificiale dovrebbe essere meno costosa, ma potrebbero volerci altri due anni e mezzo prima che un prototipo commerciale sia pronto. dice Nocera.
James Stevens, ricercatore presso Dow Chemical, afferma che la tecnologia ha ancora molta strada da fare. C'è molto che deve essere fatto prima che questo possa essere pratico, dice. L'efficienza è bassa ei costi di capitale di queste cose sono molto alti.
Anche altri problemi pratici, come lo stoccaggio sicuro del gas idrogeno e la prevenzione del congelamento del sistema a temperature sotto lo zero, sono sfide significative, afferma Stevens. Non siamo molto interessati allo stato dell'arte così com'è ora, dice.