Assicurare energia sufficiente per soddisfare i bisogni umani è una delle più grandi sfide che la società abbia mai dovuto affrontare. Fonti precedentemente affidabili:petrolio, gas e carbone:stanno degradando la qualità dell'aria, devastando terre e oceani e alterando il fragile equilibrio del clima globale, attraverso il rilascio di CO2 e altri gas serra. Nel frattempo, Si prevede che la popolazione terrestre in rapida industrializzazione raggiungerà i 10 miliardi entro il 2050. Le alternative pulite sono una questione di urgente necessità.

I ricercatori del Biodesign Center for Applied Structural Discovery dell'ASU stanno esplorando nuove tecnologie che potrebbero aprire la strada alla pulizia, energia sostenibile per aiutare a soddisfare la scoraggiante domanda globale.

In una nuova ricerca che appare in Giornale della Società Chimica Americana ( JACS ), il giornale di punta dell'ACS, autore principale Brian Wadsworth, insieme ai colleghi Anna Beiler, Diana Khusnutdinova, Edgar Reyes Cruz, e l'autore corrispondente Gary Moore descrivono tecnologie che combinano semiconduttori che raccolgono la luce e materiali catalitici capaci di reazioni chimiche che producono carburante pulito.

Il nuovo studio esplora la sottile interazione dei componenti primari di tali dispositivi e delinea un quadro teorico per comprendere le reazioni di formazione del combustibile sottostanti. I risultati suggeriscono strategie per migliorare l'efficienza e le prestazioni di tali tecnologie ibride, avvicinandoli sempre di più alla redditività commerciale.

La produzione di idrogeno e forme ridotte di carbonio mediante queste tecnologie potrebbe un giorno soppiantare le fonti di combustibili fossili per un'ampia gamma di materie prime a ridotto tenore di carbonio, compresi i combustibili, plastica e materiali da costruzione.

"In questo particolare lavoro abbiamo sviluppato sistemi che integrano tecnologie di cattura e conversione della luce con strategie di accumulo di energia a base chimica, "dice Moore, che è assistente professore presso la Scuola di Scienze Molecolari dell'ASU. Piuttosto che la generazione diretta di elettricità dalla luce solare, questa nuova generazione di tecnologia utilizza l'energia solare per guidare reazioni chimiche in grado di produrre combustibili, che immagazzinano l'energia del sole in legami chimici. "Ecco dove la catalisi diventa estremamente importante. È la chimica del controllo sia della selettività delle reazioni che dei requisiti energetici complessivi per guidare quelle trasformazioni, "dice Moore.

Qualcosa di nuovo sotto il sole

Una delle fonti più attraenti per la sostenibilità, la produzione di energia a emissioni zero è antica e abbondante:la luce del sole. Infatti, l'adozione delle tecnologie per l'energia solare ha acquisito un notevole impulso negli ultimi anni.

Dispositivi fotovoltaici (PV), o celle solari, raccogliere la luce solare e trasformare l'energia direttamente in elettricità. Il miglioramento dei materiali e la riduzione dei costi hanno reso il fotovoltaico un'opzione energetica interessante, soprattutto in stati assolati come l'Arizona, con grandi pannelli solari che coprono più acri in grado di alimentare migliaia di case.

"Ma solo avere accesso all'energia solare utilizzando il fotovoltaico non è sufficiente, " Note Moore. Molte energie rinnovabili come la luce solare e l'energia eolica non sono sempre disponibili, quindi lo stoccaggio di fonti intermittenti è una parte fondamentale di qualsiasi tecnologia futura per soddisfare la domanda globale di energia umana su larga scala.

Come spiega Moore, prendere in prestito una pagina dal manuale di Nature può aiutare i ricercatori a sfruttare l'energia radiante del sole per generare combustibili sostenibili. "Una cosa è chiara, " Dice Moore. "Probabilmente continueremo a utilizzare combustibili come parte della nostra infrastruttura energetica per il prossimo futuro, soprattutto per le applicazioni che coinvolgono il trasporto terrestre e aereo. È qui che la parte bioispirata della nostra ricerca diventa particolarmente rilevante:guardare alla natura per suggerimenti su come potremmo sviluppare nuove tecnologie per la produzione di combustibili privi di carbonio o neutri".

Fascino solare

Uno dei trucchi più impressionanti della natura prevede l'uso della luce solare per produrre sostanze chimiche ricche di energia, un processo dominato miliardi di anni fa da piante e altri organismi fotosintetici. "In questo processo, la luce viene assorbita, e l'energia viene utilizzata per guidare una serie di complesse trasformazioni biochimiche che alla fine producono gli alimenti che mangiamo e, su lunghe scale di tempo geologico, i combustibili che alimentano la nostra società moderna, "dice Moore.

Nello studio attuale, il gruppo ha analizzato le variabili chiave che regolano l'efficienza delle reazioni chimiche utilizzate per produrre carburante attraverso vari dispositivi artificiali. "In questo documento, abbiamo sviluppato un modello cinetico per descrivere l'interazione tra l'assorbimento della luce sulla superficie del semiconduttore, migrazione di carica all'interno del semiconduttore, trasferimento di carica al nostro strato di catalizzatore e quindi la fase di catalisi chimica, ", ha detto Wadsworth.

Il modello sviluppato dal gruppo si basa su un quadro simile che governa il comportamento degli enzimi, nota come cinetica di Michaelis-Menten, che descrive la relazione tra le velocità di reazione enzimatica e il mezzo in cui avviene la reazione (o substrato). Qui, questo modello è applicato a dispositivi tecnologici che combinano semiconduttori che raccolgono la luce e materiali catalitici per la formazione di combustibile.

"Descriviamo le attività di formazione di carburante di questi materiali ibridi in funzione dell'intensità della luce e anche del potenziale, " dice Wadsworth. (Simili modelli cinetici di tipo Michaelis-Menten si sono dimostrati utili nell'analizzare fenomeni come il legame antigene-anticorpo, ibridazione DNA-DNA, e interazione proteina-proteina.)

Nel modellare la dinamica del sistema, il gruppo ha fatto una scoperta sorprendente. "In questo particolare sistema non siamo limitati dalla velocità con cui il catalizzatore può guidare la reazione chimica, " dice Moore. "Siamo limitati dalla capacità di fornire elettroni a quel catalizzatore e attivarlo. Ciò è correlato all'intensità della luce che colpisce la superficie. Brian, Anna, Diana, e Edgar hanno dimostrato nei loro esperimenti che aumentando l'intensità della luce aumenta il tasso di formazione del carburante."

La scoperta ha implicazioni per la progettazione futura di tali dispositivi con l'obiettivo di massimizzarne l'efficienza. "La semplice aggiunta di più catalizzatore alla superficie del materiale ibrido non si traduce in maggiori tassi di produzione di carburante. Dobbiamo considerare le proprietà di assorbimento della luce del semiconduttore sottostante, il che a sua volta ci costringe a pensare di più alla selezione del catalizzatore e al modo in cui il catalizzatore si interfaccia con il componente che assorbe la luce."

raggio di speranza

Rimane ancora molto lavoro da fare prima che tali soluzioni dal solare ai combustibili siano pronte per il debutto. Rendere pratiche come queste tecnologie per le esigenze umane richiede efficienza, convenienza e stabilità. "Gli assemblaggi biologici hanno la capacità di autoripararsi e riprodursi; gli assemblaggi tecnologici sono stati limitati in questo aspetto. È un'area in cui possiamo imparare di più dalla biologia, "dice Moore.

Il compito non potrebbe essere più urgente. Si prevede che la domanda globale di energia aumenterà da circa 17 terawatt oggi a 30 terawatt sbalorditivi entro la metà del secolo. Oltre a notevoli ostacoli scientifici e tecnologici, Moore sottolinea che saranno essenziali anche profondi cambiamenti politici. "C'è una vera domanda su come soddisfare le nostre future esigenze energetiche. Se lo faremo in modo egualitario e rispettoso dell'ambiente, ci vorrà un serio impegno politico".

La nuova ricerca è un passo nel lungo cammino verso un futuro sostenibile. Il gruppo osserva che le loro scoperte sono importanti perché sono probabilmente rilevanti per un'ampia gamma di trasformazioni chimiche che coinvolgono materiali e catalizzatori che assorbono la luce. "I principi fondamentali, in particolare l'interazione tra intensità di illuminazione, light absorption and catalysis should apply to other materials as well, " Moore says.