L'utilizzo della tecnologia al plasma all'avanguardia per produrre fertilizzanti economici per i piccoli agricoltori può sembrare magico, ma ora è diventata realtà. I ricercatori della Eindhoven University of Technology (TU/e) hanno costruito un piccolo impianto alimentato al plasma che produce fertilizzanti liquidi a base di azoto utilizzando solo il sole, acqua e aria. "L'impianto è facile da installare, sostenibile e molto efficiente, " afferma il ricercatore TU/e ​​Fausto Gallucci, che insieme ai partner in Africa, Germania e Portogallo hanno effettuato con successo test del dispositivo in Uganda. "Ora vogliamo portare il mini-impianto sul mercato, in modo che diventi disponibile per gli agricoltori di tutto il mondo".

Nutrire una popolazione mondiale in aumento è una sfida enorme. Le previsioni dicono che ci saranno 8,6 miliardi di persone sul nostro pianeta nel 2030, e quasi 10 miliardi nel 2050. Fertilizzanti artificiali, in particolare fertilizzanti a base di azoto, giocano un ruolo chiave nell'affrontare questa sfida.

Azoto vitale

L'azoto è uno dei tre principali macronutrienti utilizzati dalle piante per crescere (accanto al fosforo e al potassio. Nel 2015 circa un uomo su due si è nutrito di alimenti coltivati ​​con fertilizzanti a base di azoto, una quota destinata ad aumentare nei prossimi anni.

Sebbene ampiamente disponibile nel mondo sviluppato, i fertilizzanti artificiali non sono così comuni nei paesi in via di sviluppo. In Africa, dove il 60 per cento di tutti gli agricoltori ha a disposizione meno di un ettaro di terra, gli agricoltori spesso non hanno i soldi per comprare la roba. Inoltre, i fertilizzanti sono spesso prodotti da grandi multinazionali, che consegnano solo alla rinfusa e da posizioni centrali.

Bassa tecnologia

È qui che entra in gioco il progetto Africa di Leap-Agri, che utilizza un reattore di piccole dimensioni per produrre fertilizzanti liquidi a base di azoto che possono essere utilizzati da qualsiasi agricoltore che abbia accesso alla luce solare e all'acqua.

Sebbene la tecnologia alla base sia abbastanza all'avanguardia, l'applicazione è molto low-tech. "Abbiamo inviato un sistema basato sul nostro reattore al plasma alla National Agricultural Research Organization (NARO) in Uganda che non aveva mai funzionato prima con la tecnologia al plasma, e sono stati in grado di produrre fertilizzante entro un mese, "dice Fausto Gallucci, professore presso il dipartimento di Ingegneria Chimica e Chimica.

"Il nostro sistema è piccolo, semplice e molto veloce. Una volta acceso, è davvero questione di secondi prima che inizi a produrre fertilizzante. Questo lo rende anche molto flessibile:lo usi solo quando c'è il sole e hai bisogno di fertilizzante".

Plasma freddo

Quindi come funziona questo dispositivo? Il professor Gallucci spiega:"Il nostro miniimpianto utilizza la tecnologia al plasma. Plasma, come sapete, è il quarto stato della materia ed è costituito da atomi e molecole ionizzati. Potresti conoscerlo dai fulmini o dalle insegne al neon, che consistono entrambi di plasma."

Il plasma utilizzato nell'impianto di fertilizzazione non è termico:mentre gli elettroni che guidano la reazione raggiungono temperature estremamente elevate, il gas che lo circonda può rimanere relativamente freddo. Questo ovviamente consente di risparmiare energia.

Rende la tecnologia al plasma un'alternativa interessante al modo tradizionale di produrre azoto, il cosiddetto processo Haber-Bosch, che richiede sia alta pressione che alte temperature. Si stima che il processo Haber-Bosch consumi dall'1 al 2% dell'energia totale mondiale, emettendo circa 300 milioni di tonnellate di CO ₂ ogni anno in aria.

Fissare l'azoto

La produzione di fertilizzanti a base di azoto in un reattore al plasma comporta un processo noto come fissazione dell'azoto. Mentre il 78% dell'aria è costituito da N2, il gas non reagisce con altri elementi (è chimicamente inerte). Questo rende difficile l'utilizzo da parte delle piante.

La fissazione dell'azoto risolve questo problema. Converte l'azoto (N ₂ ) dall'aria in NOx, che a sua volta reagisce con ossigeno e acqua per formare nitrati (NO _{3 -} ). Questo può quindi essere utilizzato come ingrediente per fertilizzanti liquidi.

"Per avviare il processo di conversione, " spiega Sirui Li, ricercatore nel gruppo del professor Gallucci, "poi ₂ le molecole devono prima essere 'attivate' introducendo una carica elettrica. Questo assicura che i legami che tengono insieme gli atomi di azoto siano rotti, creando un plasma."

Nel caso del miniimpianto Leap Agri, l'elettricità per la generazione del plasma è fornita dall'energia solare, una fonte economica e sostenibile ampiamente disponibile nei paesi in via di sviluppo.

Efficiente e accessibile

Il processo è altamente efficiente:produce un fertilizzante liquido con un alto livello di nitrati che può essere facilmente assimilato dalle piante. Un'analisi è stata fatta in Uganda dalla ricercatrice NARO Stella Kabiri, che ha confrontato questo fertilizzante con altri fertilizzanti sul mercato locale. Il risultato ha mostrato che il contenuto di nitrati era di circa il 20 percento, che è 14, 42 e 51 punti percentuali in più rispetto ai fertilizzanti solidi Nitrato di ammonio, NPK e Urea rispettivamente.

"Ma ancora più importante, il fertilizzante liquido può essere prodotto in loco e su richiesta, in modo che ogni agricoltore possa scegliere esattamente la quantità di fertilizzante e contenuto di nitrati di cui ha bisogno per il suo raccolto e appezzamento di terreno, " dice Sirui Li.

Attualmente il costo del miniimpianto è ancora piuttosto elevato (circa 70, 000 euro), ma Gallucci prevede che il prezzo diminuirà notevolmente una volta prodotto su larga scala. "Un giorno, i piccoli agricoltori in Africa potranno acquistare la propria unità di fertilizzanti, individualmente o collettivamente come villaggio. Il collettivo può quindi affittare il mini-impianto ai propri membri, o vendere il fertilizzante ad altri villaggi".