Lo scienziato Heinz Frei ha lavorato per decenni alla costruzione di una versione artificiale di una delle macchine più eleganti ed efficaci della natura:la foglia.

Frei, e molti altri ricercatori in tutto il mondo, cercano di utilizzare la fotosintesi, la reazione chimica guidata dalla luce solare che le piante verdi e le alghe utilizzano per convertire l'anidride carbonica (CO ₂ ) in carburante cellulare, per generare i tipi di carburante che possono alimentare le nostre case e i nostri veicoli. Se la tecnologia necessaria potesse essere perfezionata oltre i modelli teorici e i prototipi su scala di laboratorio, questa idea lunare, nota come fotosintesi artificiale, ha il potenziale per generare grandi fonti di energia completamente rinnovabile utilizzando il surplus di CO ₂ nella nostra atmosfera.

Con il loro ultimo anticipo, Frei e il suo team presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia si stanno avvicinando a questo obiettivo. Gli scienziati hanno sviluppato un sistema di fotosintesi artificiale, fatto di tubi di dimensioni nanometriche, che sembra in grado di eseguire tutti i passaggi chiave della reazione di generazione del combustibile.

Il loro ultimo documento, pubblicato in Materiali funzionali avanzati , dimostra che il loro design consente il rapido flusso di protoni dallo spazio interno del tubo, dove sono generati dalla scissione di molecole d'acqua, verso l'esterno, dove si combinano con CO ₂ ed elettroni per formare il combustibile. Quel carburante è attualmente monossido di carbonio, ma il team sta lavorando per produrre metanolo. flusso di protoni veloce, che è essenziale per sfruttare in modo efficiente l'energia solare per formare un combustibile, è stata una spina nel fianco dei sistemi di fotosintesi artificiale del passato.

Ora che il team ha mostrato come i tubi possono eseguire tutte le attività fotosintetiche individualmente, sono pronti per iniziare a testare l'intero sistema. Le singole unità del sistema saranno piccole "piastrelle a combustibile solare" quadrate (diversi pollici su un lato) contenenti miliardi di tubi su nanoscala inseriti tra un pavimento e un soffitto di sottili, silicato leggermente flessibile, con le aperture del tubo che perforano queste coperture. Frei spera che le tessere del suo gruppo possano essere le prime ad affrontare i principali ostacoli che ancora devono affrontare questo tipo di tecnologia.

"Ci sono due sfide che non sono ancora state affrontate, " disse Frei, che è uno scienziato senior nell'area di bioscienze del Berkeley Lab. "Uno di questi è la scalabilità. Se vogliamo mantenere i combustibili fossili nel sottosuolo, dobbiamo essere in grado di produrre energia in terawatt, un'enorme quantità di carburante. E, è necessario produrre un combustibile a idrocarburi liquidi in modo da poterlo effettivamente utilizzare con le infrastrutture e la tecnologia esistenti per un valore di trilioni di dollari".

Ha osservato che una volta realizzato un modello che soddisfa questi requisiti, costruire una fattoria a combustibile solare con molte singole tessere potrebbe procedere rapidamente. "Noi, come scienziati di base, bisogno di consegnare una piastrella che funzioni, con tutte le domande sulle sue prestazioni risolte. E gli ingegneri dell'industria sanno come collegare queste tessere. Quando avremo calcolato i pollici quadrati, saranno in grado di fare miglia quadrate."

Come funziona

Ogni minuscolo (circa 0,5 micrometri di larghezza), tubo cavo all'interno della piastrella è costituito da tre strati:uno strato interno di ossido di cobalto, uno strato intermedio di silice, e uno strato esterno di biossido di titanio. Nello strato interno del tubo, l'energia dalla luce solare fornita all'ossido di cobalto scinde l'acqua (sotto forma di aria umida che scorre attraverso l'interno di ciascun tubo), producendo protoni liberi e ossigeno.

"Questi protoni fluiscono facilmente attraverso lo strato esterno, dove si combinano con l'anidride carbonica per formare monossido di carbonio ora - e metanolo in una fase futura - in un processo consentito da un catalizzatore supportato dallo strato di biossido di titanio, " ha detto Won Jun Jo, un borsista post-dottorato e primo autore del documento. "Il carburante si accumula nello spazio tra i tubi, e può essere facilmente drenato per la raccolta."

È importante sottolineare che lo strato intermedio della parete del tubo mantiene l'ossigeno prodotto dall'ossidazione dell'acqua all'interno del tubo, e impedisce all'anidride carbonica e alle molecole di combustibile in evoluzione all'esterno di permeare all'interno, separando così le due zone di reazione chimica molto incompatibili.

Questo design imita le cellule fotosintetiche viventi reali, che separano le reazioni di ossidazione e riduzione con compartimenti di membrana organica all'interno del cloroplasto. Allo stesso modo, in linea con il progetto originale della natura, i tubi della membrana del team consentono che la reazione fotosintetica avvenga su una distanza molto breve, minimizzando la perdita di energia che si verifica durante il viaggio degli ioni e prevenendo reazioni chimiche indesiderate che ridurrebbero anche l'efficienza del sistema.

"Questo lavoro fa parte dell'impegno di Berkeley Lab per contribuire con soluzioni alle urgenti sfide energetiche poste dal cambiamento climatico, " ha detto Frei. "La natura interdisciplinare del compito richiede l'ampiezza di competenze e le principali strutture uniche per Berkeley Lab. In particolare, le capacità di nanofabbricazione e imaging della Molecular Foundry sono essenziali per sintetizzare e caratterizzare gli strati ultrasottili e creare matrici di nanotubi cavi di dimensioni di un pollice quadrato".