Gli atomi di carbonio si presentano in forme pesanti e leggere, o isotopi, e misurare le quantità relative di ciascuno può rivelare la fonte del carbonio. Gli atomi di ossigeno sono rappresentati in grigio e gli isotopi di carbonio sono in arancione. Credito: Kelly Irvine/NIST
Gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno sviluppato uno strumento di laboratorio in grado di misurare la quantità di carbonio in molti materiali contenenti carbonio derivata da combustibili fossili. Questo aprirà la strada a nuovi metodi nelle industrie dei biocarburanti e delle bioplastiche, nella ricerca scientifica, e monitoraggio ambientale. Tra l'altro, consentirà agli scienziati di misurare la quantità di anidride carbonica (CO 2 ) nell'atmosfera provenivano dalla combustione di combustibili fossili, e per stimare le emissioni di combustibili fossili in un'area piccola come una città o grande come un continente.
Questo è possibile perché gli atomi di carbonio si trovano in forme pesanti e leggere, o isotopi, e misurare le quantità relative di ciascuno può rivelare la fonte del carbonio. Usare gli isotopi di carbonio in questo modo non è un'idea nuova, ma richiede misurazioni estremamente precise e costose. Il nuovo strumento, sviluppato dai chimici del NIST Adam Fleisher e David Long e basato su una tecnologia chiamata spettroscopia ad anello di cavità (CRDS), promette di ridurre drasticamente il costo di tali misurazioni. Hanno descritto le prestazioni dello strumento nel Journal of Physical Chemistry Letters .
"La misurazione degli isotopi di carbonio è una tecnica estremamente utile, ma fino ad ora, ha trovato un uso limitato a causa del costo, " ha detto Long. "Abbassare il costo aprirà la strada a nuove applicazioni, soprattutto quelli che richiedono di testare un gran numero di campioni."
La chiave di queste misurazioni è il carbonio-14, un isotopo radioattivo (ma innocuo) del carbonio che si forma nell'alta atmosfera. Quel carbonio-14 si fa strada in tutti gli esseri viventi. A differenza del normale carbonio, il carbonio-14 è instabile, con un'emivita di 5, 730 anni. Quando gli esseri viventi muoiono, smettono di incorporare carbonio nei loro corpi, e il loro carbonio-14 inizia a decadere.
Gli scienziati possono calcolare quanto tempo fa è morto qualcosa misurando la quantità di carbonio-14 nei suoi resti. Questa tecnica si chiama datazione al carbonio, e gli scienziati lo usano per datare cose come ossa di Neanderthal e antiche fibre vegetali.
I combustibili fossili sono anche i resti di esseri viventi, principalmente piante morte centinaia di milioni di anni fa. Praticamente tutto il loro carbonio-14 è decaduto eoni fa, quindi tutto ciò che ne deriva è contrassegnato dall'assenza di quantità misurabili di carbonio-14.
Ma il carbonio-14 è estremamente raro, e utilizzarlo per identificare i combustibili fossili, gli scienziati devono essere in grado di misurarlo a concentrazioni pari a 1 parte su 10 trilioni. È l'equivalente di un singolo granello di sabbia in 60 camion con cassone ribaltabile pieni di roba.
Per misurare concentrazioni così basse, hai bisogno di una tecnica di misurazione estremamente sensibile, e una tale tecnica esiste già. Gli archeologi vi si affidano da decenni. Ma quella tecnica richiede un acceleratore di particelle per separare gli isotopi (il carbonio-14 più pesante accelera più lentamente del carbonio-12 di tutti i giorni), insieme a una struttura per ospitarlo e un team di dottori di ricerca per gestirlo.
Lo strumento CRDS sviluppato da Fleisher e Long può essere posizionato su un banco da laboratorio ed è relativamente economico da utilizzare.
Credito: Kelly Irvine/NIST
Gli strumenti CRDS analizzano i gas rilevando le lunghezze d'onda della luce che assorbono. Ad esempio, CO 2 che contiene carbonio-14, la cosiddetta CO . pesante 2 —assorbe una lunghezza d'onda leggermente diversa rispetto alla normale CO 2 .
Per misurare quanta CO . pesante 2 hai in una CO 2 campione, si inietta prima il campione nella cavità di misura dello strumento (la "C" in CRDS), che è un tubo con specchi all'interno alle due estremità. Quindi sintonizzi un laser sulla lunghezza d'onda esatta che solo la CO . pesante 2 assorbe e spara una raffica di esso nella cavità. Mentre la luce laser rimbalza tra gli specchi, parte della sua energia viene assorbita dal gas. Maggiore è l'assorbimento, maggiore è la concentrazione di CO . pesante 2 .
Per ottenere la sensibilità richiesta, Fleisher e Long hanno migliorato la tecnologia CRDS esistente progettando un sistema che raffredda la cavità fino a un livello uniforme di meno 55 gradi Celsius e riduce al minimo le fluttuazioni di temperatura che annullerebbero la misurazione. Rendere la cavità molto fredda consente al loro strumento di rilevare segnali molto deboli di assorbimento della luce, allo stesso modo in cui potresti sentire cadere uno spillo se rendi una stanza estremamente silenziosa.
Questo e altri miglioramenti hanno aumentato la sensibilità dello strumento a sufficienza per una datazione al carbonio accurata.
Per testare biocarburanti e bioplastiche, prima bruceresti quei materiali, quindi raccogliere la CO . risultante 2 per l'analisi. Ciò consentirebbe di testare una miscela di carburante per determinare quale frazione di essa è biocarburante. Nel settore aereo, Per esempio, questo sarebbe utile perché alcuni paesi richiedono che i carburanti per aviazione includano una specifica percentuale di biocarburanti. Tali test potrebbero essere utilizzati anche per verificare che le bioplastiche, che vendono a premio, non contengono composti derivati dal petrolio.
Per stimare le emissioni di combustibili fossili in un'area geografica, raccoglieresti molti campioni d'aria in quell'area e analizzeresti la CO . atmosferica 2 in quei campioni. Aree con elevate emissioni di combustibili fossili, come città e zone industriali, avrà concentrazioni inferiori alla norma di CO . pesante 2 .
"Le emissioni di combustibili fossili diluiscono la concentrazione di CO . pesante 2 nell'aria, " disse Fleisher. "Se possiamo misurare con precisione quella concentrazione dopo che è stata diluita, possiamo calcolare quante emissioni di combustibili fossili ci sono nel mix."
Un rapporto della National Academy of Sciences ha stimato che 10, 000 campioni all'anno, raccolti in luoghi accuratamente selezionati negli Stati Uniti, sarebbe sufficiente per stimare le emissioni nazionali di combustibili fossili entro il 10% del valore effettivo. Un tale sistema di misurazioni può aumentare l'affidabilità delle stime delle emissioni nazionali. Ciò sarebbe particolarmente utile in parti del mondo in cui i dati sulle emissioni di alta qualità non sono prontamente disponibili.
"C'è bisogno di questo tipo di misurazione in molti settori, " Fleisher ha detto. "Abbiamo dimostrato un percorso per soddisfare tale esigenza in modo conveniente".
