L'industria aeronautica produce il 2% delle emissioni globali di anidride carbonica indotte dall'uomo. Questa quota può sembrare relativamente piccola:in prospettiva, la produzione di elettricità e il riscaldamento domestico rappresentano oltre il 40%, ma l'aviazione è una delle fonti di gas serra in più rapida crescita al mondo. Si prevede che la domanda di viaggi aerei raddoppierà nei prossimi 20 anni.

Le compagnie aeree sono sotto pressione per ridurre le loro emissioni di carbonio, e sono altamente vulnerabili alle fluttuazioni globali del prezzo del petrolio. Queste sfide hanno stimolato un forte interesse per i carburanti per jet derivati ​​dalla biomassa. Il carburante per biojet può essere prodotto da vari materiali vegetali, comprese le colture oleaginose, colture di zucchero, piante amidacee e biomasse lignocellulosiche, attraverso varie vie chimiche e biologiche. Però, le tecnologie per convertire il petrolio in carburante per aviogetti sono in una fase di sviluppo più avanzata e producono una maggiore efficienza energetica rispetto ad altre fonti.

Stiamo progettando la canna da zucchero, lo stabilimento più produttivo al mondo, per produrre petrolio che può essere trasformato in carburante per bio-jet. In un recente studio, abbiamo scoperto che l'uso di questa canna da zucchero ingegnerizzata potrebbe produrre più di 2, 500 litri di carburante bio-jet per acro di terra. In parole povere, questo significa che un Boeing 747 potrebbe volare per 10 ore con carburante per bio-jet prodotto su appena 54 acri di terra. Rispetto a due fonti vegetali concorrenti, soia e jatropha, lipidcane produrrebbe circa 15 e 13 volte più carburante per aerei per unità di terra, rispettivamente.

Creazione di canna da zucchero a doppio scopo

Combustibili per biojet derivati ​​da materie prime ricche di petrolio, come camelina e alghe, sono stati testati con successo come prove di volo concept. L'American Society for Testing and Materials ha approvato una miscela 50:50 di jet fuel a base di petrolio e jet fuel rinnovabile idrotrattato per voli commerciali e militari.

Però, anche dopo notevoli sforzi di ricerca e commercializzazione, gli attuali volumi di produzione di carburante per biojet sono molto piccoli. Realizzare questi prodotti su scala più ampia richiederà ulteriori miglioramenti tecnologici e abbondanti materie prime a basso costo (colture utilizzate per produrre il carburante).

La canna da zucchero è una nota fonte di biocarburante:il Brasile ha fermentato il succo di canna da zucchero per produrre carburante a base di alcol per decenni. L'etanolo dalla canna da zucchero produce il 25% in più di energia rispetto alla quantità utilizzata durante il processo di produzione, e riduce le emissioni di gas serra del 12% rispetto ai combustibili fossili.

Ci siamo chiesti se potessimo aumentare la produzione naturale di olio della pianta e utilizzare l'olio per produrre biodiesel, che offre vantaggi ambientali ancora maggiori. Il biodiesel produce il 93% di energia in più rispetto a quella necessaria per produrlo e riduce le emissioni del 41% rispetto ai combustibili fossili. L'etanolo e il biodiesel possono essere entrambi utilizzati nel carburante per biojet, ma le tecnologie per convertire il petrolio di origine vegetale in carburante per aerei sono in una fase avanzata di sviluppo, producono un'elevata efficienza energetica e sono pronti per l'implementazione su larga scala.

Quando abbiamo proposto per la prima volta l'ingegneria della canna da zucchero per produrre più petrolio, alcuni dei nostri colleghi pensavano che fossimo pazzi. Le piante di canna da zucchero contengono solo lo 0,05% di olio, che è troppo poco per convertirsi al biodiesel. Molti scienziati vegetali hanno teorizzato che aumentare la quantità di olio all'1% sarebbe tossico per la pianta, ma i nostri modelli informatici prevedevano che avremmo potuto aumentare la produzione di petrolio al 20%.

Con il supporto dell'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata del Dipartimento dell'energia, abbiamo lanciato un progetto di ricerca chiamato Plants Engineered to Replace Oil in Sugarcane and Sorghum, o PETROSS, nel 2012. Da allora, attraverso l'ingegneria genetica abbiamo aumentato la produzione di olio e acidi grassi per ottenere il 12% di olio nelle foglie di canna da zucchero.

Ora stiamo lavorando per raggiungere il 20 percento di petrolio, il limite teorico, secondo i nostri modelli al computer - e indirizzando questo accumulo di olio allo stelo della pianta, dove è più accessibile che nelle foglie. La nostra ricerca preliminare ha dimostrato che anche se gli impianti ingegnerizzati producono più petrolio, continuano a produrre zucchero. Chiamiamo queste piante ingegnerizzate canna lipidica.

Più prodotti da lipidcane

Lipidcane offre molti vantaggi per gli agricoltori e l'ambiente. Calcoliamo che la coltivazione di canna lipidica contenente il 20% di olio sarebbe cinque volte più redditizia per acro rispetto ai semi di soia, la principale materia prima attualmente utilizzata per produrre biodiesel negli Stati Uniti, e due volte più redditizio per acro del mais.

Per essere sostenibile, Il carburante per biojet deve anche essere economico da lavorare e avere alti rendimenti di produzione che riducono al minimo l'uso di terra arabile. Stimiamo che rispetto alla soia, la canna lipidica contenente il 5% di petrolio potrebbe produrre quattro volte più carburante per aviogetti per acro di terra. La canna lipidica con il 20% di petrolio potrebbe produrre più di 15 volte più carburante per aerei per acro.

E lipidcane offre altri benefici energetici. Le parti della pianta rimaste dopo l'estrazione del succo, noto come bagassa, può essere bruciato per produrre vapore ed elettricità. Secondo la nostra analisi, questo genererebbe elettricità più che sufficiente per alimentare la bioraffineria, così l'energia in eccesso potrebbe essere rivenduta alla rete, sostituendo l'elettricità prodotta da combustibili fossili – una pratica già utilizzata in alcuni impianti in Brasile per produrre etanolo dalla canna da zucchero.

Un potenziale raccolto di bioenergia negli Stati Uniti

La canna da zucchero prospera su terreni marginali che non sono adatti a molte colture alimentari. Attualmente è coltivato principalmente in Brasile, India e Cina. Stiamo anche ingegnerizzando la canna lipidica per essere più tollerante al freddo in modo che possa essere allevata più ampiamente, in particolare negli Stati Uniti sudorientali su terreni sottoutilizzati.

Se dedichiamo 23 milioni di acri nel sud-est degli Stati Uniti alla canna lipidica con il 20% di olio, stimiamo che questo raccolto potrebbe produrre il 65 percento della fornitura di carburante per aerei degli Stati Uniti. Attualmente, in dollari correnti, quel carburante costerebbe alle compagnie aeree US $ 5,31 per gallone, che è inferiore al carburante per biojet prodotto da alghe o altre colture oleaginose come i semi di soia, colza o olio di palma.

La canna lipidica potrebbe essere coltivata anche in Brasile e in altre aree tropicali. Come abbiamo recentemente riportato in Nature Climate Change, l'espansione significativa della produzione di canna da zucchero o di canna lipidica in Brasile potrebbe ridurre le attuali emissioni globali di anidride carbonica fino al 5,6%. Ciò potrebbe essere realizzato senza interferire con le aree che il governo brasiliano ha designato come sensibili dal punto di vista ambientale, come la foresta pluviale.

Alla ricerca di "energycane"

La nostra ricerca sulla canna lipidica include anche l'ingegneria genetica della pianta per renderla fotosintetizzata in modo più efficiente, che si traduce in una maggiore crescita. In un articolo del 2016 su Science, uno di noi (Stephen Long) e colleghi di altre istituzioni hanno dimostrato che il miglioramento dell'efficienza della fotosintesi nella canna lipidica ha aumentato la sua crescita del 20 percento. La ricerca preliminare e le prove sul campo affiancate suggeriscono che abbiamo migliorato l'efficienza fotosintetica della canna da zucchero del 20 percento, e di quasi il 70 percento in condizioni fresche.

Ora il nostro team sta iniziando a lavorare per progettare una varietà di canna da zucchero ad alto rendimento che chiamiamo "cana energetica" per ottenere una maggiore produzione di petrolio per acro. Abbiamo più terreno da percorrere prima che possa essere commercializzato, ma lo sviluppo di un impianto fattibile con abbastanza petrolio per produrre economicamente biodiesel e bio-jet fuel è un primo passo importante.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.