Il professor Timothy Noël e ​​i colleghi del gruppo Flow Chemistry del Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences dell'Università di Amsterdam hanno sviluppato un mini-reattore autonomo a energia solare completamente operativo che offre il potenziale per la produzione di prodotti della chimica fine in località remote sulla terra, e forse anche su Marte. In un articolo pubblicato da ChemSusChem , il team presenta il suo unico, sistema fotochimico completamente off-grid.

Il nuovo sistema, che è in grado di sintetizzare farmaci e altre sostanze chimiche in volumi economicamente rilevanti, "brilla in ambienti isolati e consente il decentramento della produzione della chimica fine, " secondo il professor Noël. "Il mini-impianto si basa sul concetto di fotochimica, utilizzando la luce solare per "alimentare" direttamente la sintesi chimica. Utilizziamo un fotocatalizzatore, una specie chimica che guida la sintesi quando illuminata, " Noël continua. "Normalmente LED potenti o altri dispositivi di illuminazione vengono utilizzati per l'illuminazione, ma scegliamo di usare la luce del sole. Per i principianti, questo rende la sintesi pienamente sostenibile. Ma consente anche il funzionamento autonomo in località remote. Il nostro sogno è vedere il nostro sistema utilizzato in una base sulla Luna o su Marte, dove sono necessari sistemi autosufficienti per fornire energia, cibo e medicine. Il nostro mini-impianto potrebbe contribuire a questo in maniera del tutto autonoma, modo indipendente".

Un reattore a flusso solare

Lo sviluppo del mini-impianto è iniziato circa cinque anni fa quando il gruppo di ricerca Noël, all'epoca con sede presso l'Università tecnologica di Eindhoven, ha sviluppato un "concentratore solare". Si tratta essenzialmente di un foglio di plastica trasparente con canali di dimensioni micrometriche in cui avviene la sintesi chimica. Aggiungendo coloranti dedicati, i ricercatori hanno sviluppato la plastica in una guida solare e un convertitore luminescente. Cattura la luce del sole e la dirige verso i canali, convertendo una parte sostanziale della luce in fotoni rossi che guidano la conversione chimica.

Il passo successivo è stato trasformare il concentratore in un reattore a flusso pienamente operativo. "Ciò significa che pompiamo una miscela di reazione di materiali di partenza e fotocatalizzatore attraverso i canali illuminati dal sole, " dice Noël. "La conversione chimica desiderata avviene in questi canali in modo che siano, infatti, la nostra alternativa alle tradizionali boccette o recipienti di sintesi chimica." Noël continua spiegando che anche se i canali sono piuttosto piccoli, un tale "reattore a flusso" può produrre uscite abbastanza rilevanti poiché opera dall'alba al tramonto in modo continuo. "Cosa c'è di più, " Aggiunge, "l'uso di canali consente un accoppiamento molto più efficace tra luce e chimica di quanto sia possibile quando si utilizzano i tradizionali reattori a pallone".

Massima efficienza

Il gruppo di ricerca Noël aveva già dimostrato il concetto di reattore a flusso solare sintetizzando una gamma di molecole rilevanti dal punto di vista medico, anche se su scala di laboratorio in ambiente controllato. Ora, nel loro recente articolo in ChemSusChem , descrivono come hanno sviluppato una praticabile, sistema di fotosintesi autonomo ottimale e lo ha impiegato in prove sul campo. Forniscono inoltre una panoramica su aspetti quali il potenziale applicativo e le prestazioni economiche.

Il prototipo di reattore a flusso solare copre ora un'area di circa 0,25 metri quadrati. Per renderlo completamente autonomo, i ricercatori lo hanno dotato di una cella solare che fornisce l'energia per gli ausiliari come le pompe e il sistema di controllo. Questa cella solare è posizionata dietro il reattore a flusso in una configurazione sovrapposta che garantisce la massima efficienza per centimetro quadrato, secondo Noel. "Le lunghezze d'onda più energetiche vengono utilizzate nel reattore per guidare il fotocatalizzatore. I fotoni rimanenti con lunghezze d'onda di 600-1100 nm vengono convertiti in elettricità per guidare gli ausiliari".

Potenziale di applicazione in tutto il mondo

Il prototipo completamente autonomo impiega anche un sistema di controllo reattivo in grado di ottimizzare la conversione chimica a varie intensità di luce. "Quando una nuvola copre il sole, la conversione chimica normalmente diminuirebbe molto rapidamente, " dice Noël. "Il nostro sistema è in grado di apportare le modifiche necessarie in tempo reale. I test sul campo hanno confermato che è in grado di sfornare sostanze chimiche a una velocità costante anche in giornate miste di sole e nuvolose". i confronti sono stati effettuati utilizzando i dati solari in località in Norvegia (Capo Nord), Spagna (Almeria) e Australia (Townsville). Noël:"Anche a Capo Nord, con relativamente poca energia solare, stimiamo cifre di produzione soddisfacenti."

I ricercatori hanno anche confrontato le prestazioni del sistema prototipo con i dati di produzione per la nota sintesi fotochimica dell'ossido di rosa. Questo prodotto per l'industria dei profumi è prodotto industrialmente con mezzi fotochimici perché è più pulito e più efficiente della sintesi chimica tradizionale. I ricercatori hanno calcolato che per il loro sistema sarebbe necessaria una superficie sorprendentemente piccola per soddisfare l'attuale domanda annuale:solo 150 m ² basterebbe. Noël:"Questo è solo un tetto di fabbrica pieno dei nostri mini-impianti! Il costo del sistema sarebbe simile agli attuali sistemi di fotosintesi commerciali. Ma abbiamo solo bisogno di energia solare, quindi non ci sono spese energetiche. Quindi questa potrebbe davvero essere una strategia sostenibile per il futuro produzione di sostanze chimiche come l'ossido di rosa o i prodotti farmaceutici".

Fai in modo che le pareti producano sostanze chimiche

Noël ritiene che la ricerca del suo gruppo confuti ogni scetticismo sul potenziale della tecnologia chimica a energia solare:"Dimostriamo che ci sono opportunità per la produzione chimica a energia solare anche qui nei Paesi Bassi. Non devi andare in Qatar!" Cosa c'è di più, il sistema si presta all'applicazione in luoghi imprevisti. "Potresti persino coprire la facciata di un edificio. Ovviamente l'output sarebbe quindi inferiore rispetto a quando il sistema è posizionato con un'angolazione ottimale rispetto al sole. Ma è certamente possibile, e quanto sarebbe bello avere le pareti sostanze chimiche!"