Il pane è spesso chiamato il bastone della vita, ma quell'etichetta potrebbe essere applicata più accuratamente all'azoto, l'elemento che i batteri del suolo raccolgono dall'atmosfera e alterano chimicamente per aiutare a stimolare la crescita delle piante, che alla fine nutrono anche il bestiame e gli esseri umani.

Oggi esiste una vasta industria per produrre e fornire fertilizzanti a base di azoto alle aziende agricole, che beneficiano di raccolti più elevati ma, Sfortunatamente, a un certo costo ambientale, poiché il deflusso di sostanze chimiche in eccesso spesso si riversa nei fiumi e nei corsi d'acqua costieri.

Ora i ricercatori di Stanford stanno conducendo uno sforzo pluriennale per produrre questo vitale stimolo alla crescita in modo sostenibile, inventando una tecnologia chimica a energia solare in grado di produrre questo fertilizzante direttamente in azienda e applicarlo direttamente alle colture, stile di irrigazione a goccia.

"Il nostro team sta sviluppando un processo di produzione di fertilizzanti in grado di nutrire il mondo in modo ecosostenibile, " dice l'ingegnere chimico Jens Norskov, direttore del SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, una partnership tra ricercatori di Stanford Engineering e SLAC National Accelerator Laboratory.

Questo progetto SUNCAT di otto anni è supportato da una sovvenzione di 7 milioni di dollari dalla Villum Foundation, una filantropia scientifica e ambientale internazionale. Lo sforzo sostenibile per l'azoto fa parte di un più ampio, Iniziativa da 20 milioni di dollari sostenuta da Villum per riunire i ricercatori di Stanford con gli scienziati danesi per sviluppare tecnologie sostenibili per produrre non solo fertilizzanti, ma combustibili e altri prodotti chimici industriali vitali.

"Un filo conduttore di questi progetti è la necessità di identificare catalizzatori in grado di promuovere processi chimici alimentati dalla luce solare, invece di fare affidamento sui combustibili fossili ora comunemente usati come fonti di energia e, spesso, come materia prima per le reazioni, "dice Norskov, un professore di ingegneria chimica e di scienza dei fotoni a Stanford.

I catalizzatori, composti che stimolano le reazioni senza essere consumati, sono utilizzati su scala industriale da oltre un secolo. I fertilizzanti odierni sono comunemente derivati ​​da prodotti petrolchimici attraverso un processo ad alta intensità energetica che si basa su catalizzatori per accelerare le reazioni che si verificano ad alte pressioni e temperature. Lo sviluppo di un basso consumo energetico, il processo a base solare per produrre fertilizzanti azotati potrebbe avvantaggiare miliardi di persone, in particolare quelli del mondo in via di sviluppo. Ma per arrivarci i ricercatori di SUNCAT dovranno esplorare la scienza della catalisi.

"Non conosciamo catalizzatori artificiali in grado di fare ciò di cui abbiamo bisogno, "Dice Norskov. "Dovremo progettarli."

Azoto e vita

L'azoto è letteralmente intessuto nel tessuto della vita. Attraverso combinazioni chimiche con il carbonio, idrogeno e ossigeno, l'azoto aiuta a formare amminoacidi, che sono essi stessi i mattoni delle proteine, quella versatile famiglia di molecole vitale per ogni essere vivente. Possiamo ringraziare i batteri del suolo per aver reso utilizzabile l'azoto. Nel tempo i microrganismi hanno sviluppato un ecosistema biochimico per estrarre l'azoto dall'atmosfera e combinarlo con l'idrogeno dall'acqua per formare composti come l'ammoniaca che possono essere assorbiti dalle piante, promuovendone la crescita e convogliando questo gas atmosferico verso la catena alimentare.

Non sappiamo quando gli agricoltori abbiano scoperto per la prima volta i benefici della fertilizzazione, ma la pratica è antica. Studi moderni sui suoli intorno agli insediamenti neolitici suggeriscono che, già alle 6, 000 anni fa, gli agricoltori hanno cercato di aumentare i raccolti fertilizzando le colture con rifiuti animali, ora noti per contenere urea ricca di azoto (ammoniaca più carbonio). Altre pratiche di fertilizzazione tradizionali hanno incluso la coltivazione di colture come il trifoglio e l'erba medica che sono bravi a fissare l'azoto utilizzabile nel terreno, o semplicemente lasciare i campi incolti per consentire ai batteri del suolo di ricostituire le riserve naturali. Col tempo, man mano che la popolazione cresceva e si trasferiva nelle città, sorsero industrie per fornire agli agricoltori fertilizzanti a base di azoto. A volte ciò comportava l'invio di navi per raccogliere i depositi di guano di uccelli al largo di isole remote, o sostanze chimiche minerarie come il nitrato di sodio o il solfato di ammonio che potrebbero essere raffinati in additivi per la crescita delle piante.

Entro il primo decennio del XX secolo, però, la crescita della popolazione minacciava di sovraccaricare tali pratiche. Fu in questo momento cruciale che il chimico tedesco Fritz Haber, lavorando con l'ingegnere chimico Carl Bosch, scoperto come produrre in massa ammoniaca in vasche giganti usando gas naturale, che era il punto di partenza o la materia prima del processo. Sotto pressione e calore estremi, catalizzatori chimici potrebbero rompere le molecole di gas naturale, liberando gli atomi di idrogeno e unendoli all'azoto dall'aria per formare NH3, o ammoniaca sintetica che potrebbe essere prontamente assorbita dalle piante. La tecnologia Haber-Bosch è stata salutata come una delle scoperte chiave del XX secolo.

"Nutriamo letteralmente il mondo con fertilizzanti derivati ​​dal processo Haber-Bosch, "dice Norskov.

Scala e impatto ambientale

Tom Jaramillo, vicedirettore del Centro SUNCAT e membro del progetto di sintesi dell'azoto, mettere in prospettiva la produzione annuale di fertilizzanti.

"Ogni anno produciamo più di 20 chilogrammi di ammoniaca a persona per ogni persona sul pianeta, e la maggior parte di quell'ammoniaca è usata come fertilizzante, "dice Jaramillo, professore associato di ingegneria chimica e di scienza dei fotoni a Stanford.

Ma questa massiccia produzione di fertilizzanti ha diversi costi, a cominciare dalla produzione. A causa del calore e della pressione richiesti dal processo Haber-Bosch, la catalisi dell'ammoniaca rappresenta circa l'1% di tutto il consumo energetico globale. Oltre a ciò, tra il 3% e il 5% del gas naturale mondiale viene utilizzato come materia prima per fornire l'idrogeno per la sintesi dell'ammoniaca.

Poi vengono i costi ambientali. I fertilizzanti di oggi sono prodotti in serie in impianti centralizzati, consegnati agli allevamenti e somministrati mediante spandiconcime meccanizzati. L'acqua piovana e di irrigazione può lavare il fertilizzante in eccesso in ruscelli, fiumi e corsi d'acqua costieri. Gli accumuli di deflusso di fertilizzanti possono stimolare l'iper crescita delle piante a base d'acqua, creando una spirale ambientale negativa in cui le piante possono soffocare la vita marina per creare "zone morte" nei fiumi, laghi e baie di acqua salata.

I ricercatori di SUNCAT mirano a fornire i benefici della fertilizzazione senza nessuno di questi costi. L'idea è quella di sostituire il centralizzato, processo Haber-Bosch basato su combustibili fossili con una rete distribuita di moduli di produzione di ammoniaca su richiesta gestiti da energia rinnovabile. Questi moduli utilizzerebbero l'energia solare per estrarre l'azoto dall'atmosfera e anche per catalizzare la scissione delle molecole d'acqua per ottenere idrogeno e ossigeno. I processi catalitici unirebbero quindi un atomo di azoto a tre atomi di idrogeno per produrre ammoniaca, con ossigeno come prodotto di scarto.

"Sfrutteremo l'energia solare in presenza di catalizzatori opportunamente progettati per creare ammoniaca proprio nei campi agricoli, " Dice Norskov. "Pensalo come un metodo di irrigazione a goccia per sintetizzare l'ammoniaca, dove penetra nelle radici dei raccolti."

Questo sforzo arriva quando l'attenzione viene focalizzata sulla forte dipendenza dell'agricoltura industrializzata dai combustibili fossili e le molte ramificazioni ambientali di tale dipendenza.

"Non avrai bisogno di enormi quantità di combustibili fossili come materia prima dell'ammoniaca, o per guidare i camion che consegnano i fertilizzanti o i trattori che li applicano, " dice Norskov. "E non avrai problemi con l'applicazione in eccesso e il deflusso di fertilizzante, perché praticamente tutto il fertilizzante prodotto sarà completamente consumato dalle colture".

Un tale processo avrebbe un profitto globale. Nelle economie sviluppate con l'agricoltura meccanizzata, la catalisi dell'azoto a base solare fornirebbe fertilizzanti con costi ambientali notevolmente inferiori. In regioni come l'Africa subsahariana, dove i suoli impoveriti hanno ostacolato gli sforzi per l'agricoltura sostenibile e la riforestazione, una tecnologia di fertilizzazione a base solare potrebbe aiutare gli agricoltori di sussistenza ad aumentare i raccolti e alleviare la fame.

Catalisi di nuova generazione

Lo sviluppo di una tecnologia a energia solare per produrre fertilizzanti a base di azoto è un'enorme sfida che inizia con la progettazione dei catalizzatori necessari.

"È notevole quanto l'attività economica e industriale dipenda dalla catalisi e quanto poco questa sia apprezzata, "dice Norskov.

I catalizzatori sono i multitasker della chimica:devono mirare a molecole specifiche, rompere alcuni legami chimici e, spesso, creare nuovi legami per ricostruire dal miscuglio atomico qualunque molecola finale si desideri. È comprensibilmente raro trovare un agente chimico in grado di eseguire tutte queste operazioni di rottura e fabbricazione senza esaurirsi - in questo caso un riferimento tecnico al fatto che un catalizzatore deve eseguire queste reazioni chimiche senza modificare la struttura atomica che gli ha permesso di svolgere il suo magia multitasking in primo luogo.

"Mentre il catalizzatore deve legarsi abbastanza forte alla molecola bersaglio per fare il lavoro richiesto, deve anche rilasciare il prodotto finale, "dice Stacey Bent, un professore di ingegneria chimica a Stanford e membro chiave del team SUNCAT. "Dobbiamo progettare catalizzatori in grado di creare e rompere legami con precisione atomica, e dobbiamo garantire che questi materiali possano essere prodotti in serie alle scale e ai prezzi necessari, e sono resistenti e semplici da usare nei campi."

Ciò è particolarmente vero nel caso del processo di produzione di fertilizzanti qui immaginato, Jaramillo spiega, a causa della complessità del processo.

"Dobbiamo progettare una serie di reazioni per separare la molecola di azoto dall'aria, separare l'idrogeno dall'acqua e combinarli per formare ammoniaca, con l'unico input energetico proveniente dal solare, "Jaramillo dice, aggiungendo, "Siamo davvero solo all'inizio."

Calcolo, visualizzazione, sperimentazione

Lo stretto rapporto di lavoro tra gli ingegneri di Stanford e i ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory è una parte importante della storia.

Gli acceleratori di particelle SLAC e le tecnologie di imaging possono catturare e visualizzare reazioni chimiche su scala atomica. Quella, in combinazione con le risorse computazionali di SLAC, consentirà al team SUNCAT di utilizzare una varietà di tecniche, compresa l'intelligenza artificiale, apprendimento automatico e simulazione, per identificare materiali promettenti, e quindi prevedere come lievi alterazioni alle loro strutture atomiche potrebbero ottimizzarle per l'uso come catalizzatori.

"Abbiamo in programma di simulare le proprietà dei materiali che potrebbero eseguire le reazioni necessarie, "dice Piegato, "e poi stila una breve lista dei migliori candidati che gli sperimentali possono sintetizzare e testare".

La grandezza del compito richiede una vasta gamma di talenti. Oltre a Norskov, Jaramillo e Bent, altri ricercatori di Stanford partecipanti includono la facoltà di ingegneria chimica Zhenan Bao e Matteo Cargnello. I collaboratori di SLAC includono Thomas Bligaard, scienziato dello staff senior e vicedirettore della teoria presso SUNCAT, e lo scienziato del personale Frank Abild-Pedersen. Un gruppo di ricercatori danesi guidati dal professor Ib Chorkendorff presso l'Università tecnica della Danimarca sono membri chiave del progetto.

"Siamo parte di una squadra molto forte, affrontare alcune delle più grandi sfide della chimica, ingegneria chimica e sostenibilità, "dice Jaramillo.

L'obiettivo finale è creare un processo catalitico in grado di stimolare le varie reazioni chimiche che producono ammoniaca senza input diversi dall'aria, acqua e luce solare. Inoltre, questi inesauribili catalizzatori, e in effetti ogni componente di questi moduli di produzione di ammoniaca, deve essere poco costoso per la produzione di massa, durevole nel campo e facile da usare. È un compito arduo, ma il potenziale guadagno è enorme.

"La produzione sostenibile di azoto sarà possibile solo con la collaborazione interdisciplinare di persone che lavorano in campi come la scienza dei materiali, ingegneria chimica e informatica, " Dice Bent. "Potrebbe letteralmente cambiare il mondo".

Se l'obiettivo del progetto sembra valere lo sforzo, lo stesso vale per la sua metodologia di ricerca. Scoperta basata su team che combina approfondimenti teorici, la visualizzazione a livello atomico e la simulazione computazionale possono essere applicate alla progettazione di altri processi sostenibili per creare combustibili e prodotti chimici industriali, come previsto dalla più ampia iniziativa Villum.

Norskov ha inquadrato questo obiettivo più ampio sullo sfondo del riscaldamento globale in un recente articolo scritto insieme ad Arun Majumdar, un professore di ingegneria meccanica a Stanford, condirettore del Precourt Institute for Energy ed ex direttore fondatore dell'Advanced Research Projects Agency–Energy.

In un saggio per la Scientific Philanthropy Alliance, Norskov e Majumdar affermano che la civiltà ha raggiunto il punto in cui le tecnologie che hanno permesso alla nostra popolazione di crescere possono ora minacciare le fondamenta della vita. La sfida essenziale del 21° secolo è sviluppare nuove tecnologie che soddisfino i bisogni umani in modi che siano sostenibili dal punto di vista ambientale.

"Essenzialmente stiamo cercando di ripristinare l'equilibrio nei cicli del carbonio e dell'azoto della Terra che è stato perso a causa dell'aumento esponenziale della domanda di cibo e combustibili fossili, "Norskov e Majumdar scrivono, aggiungendo, "Il momento di agire è adesso."