Idrogeno come combustibile imitando modello della fotosintesi

Modello dell'atomo di Bohr Fonte Wikipedia

L’idrogeno è il miglior combustibile che ci sia. Produce calore ed energia durante la combustione, producendo solo innocuo vapore acqueo. Ma come ottenere idrogeno in abbondanza in modo economico ed ecologico? Forse potrà essere possibile imitando la fotosintesi, ma prima bisognerà risolvere alcuni problemi, secondo un chimico dei materiali dell’Università della Pennsylvania.

“Siamo concentrati sul modo più difficile di fare carburante,” ha dichiarato Thomas Mallouk, professore di Chimica dei Materiali e Fisica. “Stiamo creando un sistema artificiale che imita la fotosintesi, ma sarà pratico solo quando sarà a buon mercato come la benzina o il carburante per i jet.”

Dividere l’acqua in idrogeno e ossigeno può essere fatto in vari modi, ma la maggior parte di essi sono  ad alta intensità energetica. L’idrogeno risultante, che può essere utilizzato per alimentare i veicoli o trasformato in una grande varietà di idrocarburi, ha costi inevitabilmente più alti rispetto agli attuali carburanti di origine fossile.

Mentre alcuni ricercatori hanno utilizzato cellule solari per produrre elettricità o utilizzare il calore solare concentrato per dividere l’acqua, il processo di Mallouk usa l’energia della luce blu diretta, che finora è stato un procedimento molto meno efficiente di altre tecnologie di conversione dell’energia solare.

La chiave per la conversione diretta sono gli  elettroni. Come i coloranti che si presentano naturalmente nelle piante, i coloranti inorganici assorbono la luce solare, e l’energia dei raggi permette l’emissione di un elettrone. Lasciato a se stesso, l’elettrone si ricombina creando calore, ma se gli elettroni potessero essere incanalati – molecola per molecola – abbastanza lontano da dove si generano, potrebbero raggiungere il catalizzatore e dividere l’idrogeno dall’ossigeno nell’ acqua.

“Attualmente, stiamo ottenendo solo il 2 o 3 per cento della produzione di idrogeno”, ha detto Mallouk ai partecipanti di una riunione annuale dell’Associazione Americana per l’Avanzamento della Scienza, il 19 febbraio. “Perchè  sistemi come questo siano utili, ci sarà bisogno di ottenere una percentuale più vicina al 100 per cento”, ha aggiunto.

Ma la ricombinazione di elettroni non è il solo problema del processo. L’esaurimento dell’ ossigeno nel sistema è una reazione chimica distruttiva e questo significa che la durata del sistema è attualmente limitata a poche ore.

“L’ossigeno della cella funge da  forte agente ossidante e le molecole possono essere ossidate da vicino”, ha detto Mallouk. “La fotosintesi naturale ha lo stesso problema, ma ha un meccanismo di auto-riparazione che sostituisce periodicamente il complesso di ossigeno in evoluzione e le molecole proteiche intorno ad esso.”

Per ora i ricercatori non hanno una correzione per l’ossidazione, quindi i loro catalizzatori  di altre molecole sono utilizzati nella struttura delle cellule eventualmente degradate, limitando la vita della cella a combustibile solare.

Attualmente, i ricercatori stanno usando solo la luce blu, ma vorrebbero utilizzare l’intero spettro visibile dal sole. Stanno anche utilizzando componenti costosi – un elettrodo del platino e un catalizzatore di di ossido di iridio. Anche per questi materiali sono necessarie delle sostituzioni e altri ricercatori stanno lavorando sulle soluzioni.  Il gruppo del Massachusetts Institute of Technology sta indagando i catalizzatori di cobalto e nichel e all’Università di Yale e Princeton University stanno studiando il manganese.

“Il cobalto e il nichel non funzionano così bene come l’ iridio, ma non sono male”, ha detto Mallouk. “Il lavoro col cobalto si sta diffondendo ad altre istituzioni .”

Mentre nella struttura della cella del carburante molti degli elettroni vanno verso il catalizzatore, un’altra parte degli elettroni si ricombina, disperdendo la propria energia a colpire altre catene chimiche. Il manganese catalizza nel fotosistema II – il sistema della fotosintesi  attraverso il quale piante, alghe e batteri fotosintetici trasformano l’ossigeno – è lento come il nostro. Il fotosistema II lavora con efficienza usando una molecole mediatrice per assicurare che ci sia sempre un elettrone disponibile  per la molecole colorata una volta che passi il suo elettrone alla molecola seguente nella catena.

“Si potrebbe rallentare la ricombinazione nel sistema artificiale nello stesso modo”, ha detto Mallouk.

Attualmente il sistema utilizza un solo fotone alla volta, ma un sistema a due fotoni, più complicato, sarebbe più efficace nell’uso dell’intero spettro della luce solare.

L’obiettivo principale  di Mallouk è ora di monitorare tutte  i comportamenti energetici  nella sua cella per comprenderne la cinetica. Una volta fatto questo, potrà regolare  le parti in gioco per diminuire la perdita di energia e aumentare l’efficienza.