24/07/09

Fotosintesi Riprodotta In Laboratorio, Ultima Frontiera

Imitare il processo naturale delle piante per eliminare la CO2 dall’atmosfera e generare carburante al 100% verde: un passo avanti importante nella ricerca

Esiste, in natura, la soluzione ad ogni problema? Dalla medicina, con la penicillina, all’ingegneria, col volo degli uccelli che ha ispirato il genio di Leonardo Da Vinci, sembrerebbe di sì. Ed è alla natura che stanno facendo riferimento i ricercatori dell’Università di Berkeley, California, per risolvere una delle principali questioni dell’uomo moderno: il progresso sostenibile, ossia l’evoluzione della società senza danno all’ambiente, dimora primaria. E la soluzione è stata individuata in quel processo, la “fotosintesi clorofilliana”, che avviene nelle specie vegetali, per la crescita e il nutrimento, e che, milioni di anni fa, ha favorito la vita sulla terraferma.

Il concetto di base è quello di riprodurre in laboratorio un sistema unico dove mettere insieme, proprio come avviene nelle foglie delle piante, un meccanismo che “catturi” l’energia solare, faciliti la divisione dell’acqua nelle sue componenti (idrogeno e ossigeno) e combini queste componenti alla CO2 per produrre, in questo caso, un idrocarburo liquido, ad esempio metanolo, CH3OH.
Heinz Frei ed il suo collaboratore, Feng Jiao, del Dipartimento americano di Energia del Lawrence National Laboratory dell’Università di Berkeley, hanno recentemente messo a punto i primi due passaggi, trovando nell’ossido di cobalto (Co3O4) inserito in una “impalcatura” di silice, il sistema per concentrare e convogliare l’energia solare in modo da ottenere la divisione della molecola di acqua. Questo processo è quanto di più difficile da imitare, poiché richiede di per sé una elevata quantità di energia. I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Angewandte Chemie. “Il sistema da noi messo a punto – ha dichiarato Frei alla rivista – è quello che nelle piante corrisponde al cosiddetto Fotosistema II, parte essenziale di tutto il processo di fotosintesi clorofilliana”. (vedi approfondimento)

I due ricercatori hanno fatto crescere nanotubi (così definiti per il diametro pari a pochi milionesimi di millimetro) di ossido di cobalto in canali naturali della silice, paralleli fra loro, ottenendo i risultati migliori, in termini di rendimento, per una grandezza pari a 8 nanometri di diametro e 50 nanometri di lunghezza. I nanotubi sono inoltre stati collegati tra loro da brevi ponti, formando dei gruppi (cluster) di forma sferica, con un diametro di 35 nanometri, che hanno ulteriormente migliorato l’efficacia del sistema. I nanotubi funzionano dunque da ‘catalizzatori’.

L’energia, come in natura, viene fornita dalla luce. Gli elettroni, che si liberano dalla divisione delle molecole di acqua, possono essere utilizzati per trasformare la CO2 in idrocarburo. Questa fotosintesi di laboratorio permetterà, prima di tutto, di utilizzare la più grande fonte di energia, il sole, e sarà utile per la produzione di un carburante liquido, totalmente rinnovabile e senza emissioni. Oppure l’idrogeno prodotto (in modo del tutto sostenibile) potrà essere utilizzato come combustibile per veicoli e/o per la produzione di calore ed elettricità.

La ricerca si svolge nell’ambito del Helios Solar Energy Research Center (Helios SERC), il programma scientifico del Berkeley Laboratory il cui obiettivo è appunto quello di creare un sistema unico, affidabile ed efficace, con un ‘catalizzatore’ efficiente nel suo utilizzo e veloce abbastanza per tenere il passo con la luce per evitare sprechi. I gruppi di nanocristalli di cobalto possiedono tali caratteristiche e, in più, sono abbondanti e longevi.

Nella foto: i nanotubi di ossido di cobalto all’interno della silice; radiazione solare incidente (Hν); acqua (H2O); ossigeno (O2); biossido di carbonio (CO2); metanolo (CH3OH).
Credit: Flavio Robles, Berkeley Lab Public Affairs.

Nel video: una soluzione acquosa contenente particelle di silice integrate con nanocristalli di ossido di cobalto più un sensibilizzante per assorbire la luce e consentire la scissione dell’acqua; quando la luce laser colpisce la soluzione, questa si trasforma da color oro a blu; presto si formano bolle di ossigeno dovute alla scissione delle molecole d’acqua.

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APPROFONDIMENTO

Fotosintesi clorofilliana.
Questo processo permette alle specie vegetali di fabbricare il proprio nutrimento, sottoforma di ‘glucosio’, un tipo di zucchero (o carboidrato), a partire da composti semplici, ovvero acqua e anidride carbonica. Il tutto avviene nei ‘cloroplasti’, organelli delle cellule vegetali, ed è possibile grazie all’energia fornita dal sole e catturata dalla ‘clorofilla’, il pigmento verde presente nei cloroplasti. Prodotto di ‘scarto’ di questo processo è l’ossigeno. La fotosintesi è l’unico processo in grado di ‘immagazzinare’ l’energia solare.
È caratterizzata da 2 fasi, dette rispettivamente luminosa e di fissazione del carbonio, da cui 2 sistemi fotosintetici, definiti I e II. Dunque, nella fase luminosa il Fotosistema II è la chiave della divisione dell’acqua in ioni idrogeno (H+) e ossigeno gassoso (O2). Il Fotosistema I, presente nella fase di fissazione, permette la trasformazione della CO2 nel glucosio finale.

Elettrone.
È una particella subatomica con carica elettrica negativa, comunemente rappresentato dal simbolo e−. In generale, gli elettroni ruotano intorno al nucleo, formato da protoni e neutroni, che costituisce il centro di ogni atomo.

Catalizzatore.
È una sostanza, o un dispositivo, che interviene in una reazione chimica aumentandone la velocità ma rimanendo inalterato al termine della stessa. Generalmente, l’uso dei catalizzatori rende possibili reazioni che, in condizioni normali, non procederebbero con velocità e resa apprezzabili.