• Articolo Bologna, 3 novembre 2011
  • La fotosintesi artificiale

    Fabbricare combustibile con il sole

  • Quanto è lontano il giorno in cui l’uomo sarà in grado di carpire completamente il segreto della fotosintesi naturale e produrre artificialmente combustibili che potranno sostituire quelli fossili?

Per inquadrare bene il problema dell’energia bisogna considerare che la Terra è come una gigantesca astronave che viaggia nell’immensità dell’universo. Pur muovendosi alla velocità di 29 km al secondo nella sua orbita attorno al Sole, l’astronave Terra non consuma energia, ma ne ha tanto bisogno per le necessità del suo equipaggio: 7 miliardi di persone, che presumibilmente diventeranno 8 miliardi fra 20 anni. Bisogna subito aggiungere che l’astronave Terra è un’astronave del tutto speciale: come tutte le astronavi, infatti, ha nella stiva risorse limitate, ma, a differenza dalle comuni astronavi, non potrà mai atterrare in nessun luogo per fare rifornimento e non potrà mai ricevere pezzi di ricambio o altri aiuti materiali dall’esterno. Il suo unico punto di forza, che ne fa il luogo dove è possibile vivere, è l’essere accompagnata nel suo viaggio, alla giusta distanza, da un’altra astronave molto particolare: il Sole.

Nelle epoche passate l’energia solare ha accumulato nella stiva dell’astronave Terra una fonte energetica molto comoda e potente: i combustibili fossili, che oggi forniscono più dell’80% dell’energia usata dall’umanità. Al mondo, ogni secondo, si consumano circa 1.000 barili di petrolio, 96.000 metri cubi di gas e 222 tonnellate di carbone. E’ ovvio che a questo ritmo i combustibili fossili presto finiranno. Sappiamo anche che l’uso massiccio e prolungato dei combustibili fossili reca (e in parte, ha già recato) gravi danni all’ambiente e alla salute dell’uomo e che la loro eterogenea distribuzione non solo crea forti distorsioni nell’economia mondiale, ma è anche la causa principale delle guerre più recenti (Iraq, Afghanistan, Libia).

Per tutti questi motivi è necessario sviluppare fonti energetiche alternative che siano, per quanto possibile, abbondanti, inesauribili, ben distribuite su tutto il pianeta, non pericolose per l’uomo e per l’ambiente, capaci di sostenere lo sviluppo economico, di colmare le disuguaglianze e di favorire la pace. La fonte energetica che più soddisfa questi requisiti è l’energia solare. Con essa è possibile ottenere tutte le forme di energia utili: calore (ad esempio, con i pannelli termici), elettricità (con pannelli fotovoltaici o sistemi a concentrazione) e combustibili (con le biomasse). Le biomasse, però sono anche cibo, per cui il loro uso come combustibili crea molti problemi. La soluzione ideale sarebbe lasciare alla fotosintesi naturale il compito di produrre cibo e creare una fotosintesi artificiale per produrre combustibili.

Il primo scienziato a porsi questo problema è stato Giacomo Ciamician, professore all’università di Bologna dove oggi il dipartimento di Chimica porta il suo nome. In una famosa conferenza tenuta a New York nel 1912. Ciamician preconizzò il giorno in cui l’uomo avrebbe carpito il segreto della fotosintesi naturale e l’avrebbe sfruttato per produrre artificialmente combustibili, così che ” … se giungerà in un lontano avvenire il momento in cui il carbone fossile sarà esaurito, non per questo la civiltà avrà fine: perché la vita e la civiltà dureranno finché splende il Sole”. Se a “carbone fossile” sostituiamo “combustibili fossili”, il ragionamento di Ciamician è del tutto attuale.

La realizzazione del sogno di Ciamician fa parte della sfida che l’umanità ha di fronte per cercare di uscire dalla crisi energetica e climatica.

La fotosintesi artificiale

La fotosintesi artificiale mira alla produzione di combustibili mediante l’uso della luce solare partendo da sostanze molto diffuse come l’acqua o l’anidride carbonica.  L’acqua deve essere scissa con un processo fotochimico in idrogeno e ossigeno, mentre l’anidride carbonica deve invece essere ridotta a metanolo, con la concomitante generazione di ossigeno. Poiché quest’ultimo processo è molto complicato già sulla carta, tutta l’attenzione dei ricercatori è concentrata sulla scissione dell’acqua in idrogeno e ossigeno. Questo risultato permetterebbe di mettere in atto un ciclo chiuso per la produzione di energia, senza produzione di sostanze dannose. Si parte, infatti, da acqua, una molecola inerte a basso contenuto energetico (e, proprio per questo, abbondantissima sulla Terra), e “iniettando” in essa energia sotto forma di luce solare si ottiene la separazione dei due componenti, idrogeno (combustibile) e ossigeno (comburente), come schematizzato nella Figura 1. Quando questi due componenti vengono ricombinati, in un processo di combustione o in una cella a combustibile, producono energia termica o elettrica formando, come unico prodotto, acqua. Perché la scissione fotochimica dell’acqua avvenga è però necessario l’intervento di sostanze capaci di assorbire la luce solare e di catalizzare alcune delle reazioni coinvolte, ruoli che nella fotosintesi naturale sono svolti dalla clorofilla e da alcuni enzimi.

Le ricerche sulla fotosintesi artificiale hanno permesso di raggiungere finora importanti obiettivi parziali, quali la sintesi di sistemi antenna artificiali basati su grandi molecole chiamate dendrimeri e di centri di reazione costituiti da tre o più molecole fra loro collegate, capaci di utilizzare l’energia luminosa per separare la carica con buona efficienza (Figura 2). Il problema più difficile, sul quale si concentrano oggi gli studi, è quello di trovare catalizzatori multielettronici capaci di accoppiare l’atto fotochimico primario, nel quale il fotone assorbito provoca la formazione di una carica positiva e una negativa, alla generazione di idrogeno e ossigeno dall’acqua, processi che richiedono il trasferimento di due e, rispettivamente, quattro cariche elettriche. I catalizzatori migliori sono platino colloidale per l’evoluzione di idrogeno e ossido di rutenio colloidale per l’evoluzione di ossigeno. Si tratta di metalli rari e costosi, ma recentissime ricerche hanno indicato che si possano usare anche altri metalli.

Se si riuscirà ad ottenere la scissione fotochimica dell’acqua con alta resa e costi contenuti, l’economia basata sull’idrogeno, della quale tanto già si parla, spesso a sproposito, potrà compiere un decisivo passo in avanti.

Per approfondimenti:

– N. Armaroli, V. Balzani: Energia per l’astronave Terra, Nuova edizione aggiornata ed ampliata con gli scenari energetici per l’Italia di domani, Zanichelli, ottobre 2001

– N. Armaroli, V. Balzani: Energy for a Sustainable World – From the Oil Age to a Sun-Powered Future, Wiley-VCH, 2001

 

Vincenzo Balzani – vincenzo.balzani@unibo.it