Materie prime critiche: la ricerca di un sostituto per la catalisi, l’elettronica e la fotonica
Le “materie prime critiche” sono fondamentali per molti settori industriali europei, ma sono messe a rischio dalla scarsità e dalle interruzioni nella fornitura. È quindi vitale che l’Europa sviluppi strategie per soddisfare la domanda di materie prime. Una di queste strategie consiste nel trovare metodi o risorse in grado di sostiuire le materie prime che usiamo attualmente. A questo fine, quattro progetti dell’UE impegnati nella ricerca di sostituti per la catalisi, l’elettronica e la fotonica, hanno presentato il loro lavoro al terzo workshop della rete d’innovazione sulla sostituzione delle materie prime fondamentali tenuto dal progetto CRM_INNONET a Bruxelles all’inizio del mese. NOVACAM NOVACAM, un progetto coordinato Giappone-UE, propone di sviluppare la catalisi usando elementi non critici progettati per sbloccare il potenziale della biomassa in una fonte utilizzabile di energia e materiali chimici. Il progetto sta usando un approccio di “catalisi intenzionale” per lo sviluppo della prossima generazione di catalisi (catalisi inorganica su nanoscala), come ha spiegato il coordinatore del progetto NOVACAM, il prof. Emiel Hensen del Politecnico di Eindhoven, nei Paesi Bassi. Lanciato a settembre del 2013, il progetto sta sviluppando catalizzatori che incorporano metalli non critici per catalizzare la conversione di lignocellulosa in materiali chimici industriali e bio-carburanti. La prima fase del progetto è stata impiegata per sviluppare il principio chimico, mentre la seconda parte sarà dedicata alla dimostrazione della prova di processo. Secondo le previsioni del prof. Hensen, forse solo due o tre concetti sopravviveranno a questa fase. Il progetto ha già fatto progressi significativi nella conversione di glucosio ed etanolo - secondo il prof. Hensen - e ha prodotto importanti pubblicazioni scientifiche. Il consorzio sta lavorando con un comitato di consulenza industriale che comprende la Shell nell’UE e la Nippon Shokubai in Giappone. FREECATS Il progetto FREECATS presentato dal coordinatore del progetto, il prof. Magnus Rønning del Politecnico della Norvegia, negli ultimi tre anni ha lavorato per sviluppare nuovi catalizzatori privi di metalli. Questi sarebbero in forma di grandi volumi di nanomateriali o in strutture organizzate gerarchicamente ed entrambe le forme sarebbero in grado di sostituire i tradizionali catalizzatori a base di metalli nobili nelle trasformazioni catalitiche di importanza strategica. Il prof. Magnus Rønning ha spiegato che l’applicazione di nuovi materiali potrebbe eliminare il bisogno di usare metalli del gruppo del platino (PGM) e metalli delle terre rare – in entrambi i casi l’Europa è fortemente dipendente da altri paesi per questi metalli. Nel corso di questa ricerca, FREECATS si è occupato in particolare di tre settori – pile a combustibile, produzione di olefine leggere e purificazione dell’acqua e delle acque reflue. Con il suo lavoro per sostituire il platino nelle pile a combustibile, il progetto sostiene l’obiettivo dell’UE di sostituire il motore a combustione interna entro il 2050. Tuttavia, come ha osservato il prof. Rønning, mentre il platino è stato ottimizzato per l’uso nel corso di diversi decenni, i materiali usati da FREECATS sono nuovi e quindi presentano nuove difficoltà che il progetto sta cercando di superare. HARFIR Il prof. Atsufumi Hirohata dell’Università di York nel Regno Unito, coordinatore del progetto HARFIR, ha descritto gli obiettivi del progetto che consistono nello scoprire una lega antiferromagnetica che non contenga il metallo raro iridio. L’uso dell’iridio sta diventando sempre più diffuso in numerodi dispositivi di immagazzinamento di spintronica, come testine di lettura negli hard disk. La loro disponibilità mondiale dipende da platino che viene principalmente dal Sudafrica. La situazione è molto più difficile per altri elementi delle terre rare, perché negli ultimi anni i prezzi sono saliti di molto, spiega il prof. Hirohata. Il team di HARFIR, diviso tra Europa e Giappone, mira a sostituire le leghe di iridio con leghe di Heusler. Il team dell’UE, coordinato dal prof. Hirohata, sta lavorando alla preparazione di pellicole sottili policristalline ed epitassiali di leghe di Heusler, nella quale la progettazione del materiale è guidata da calcoli teorici. Intanto il team giapponese, coordinato dal prof. Koki Takanashi all’Università di Tohoku, sta lavorando alla preparazione di pellicole sottili epitassiali, misurazioni di proprietà fondamentali e caratterizzazione strutturale/magnetica da fasci di raggi X neutrone e sincrotrone. Una delle maggiori difficoltà è stata che le leghe di Heusler hanno una struttura atomica relativamente complicata. In termini del lavoro di HARFIR, se si presenta un qualsiasi turbamento atomico in cima ai dispositivi di nanopilastri, le proprietà magnetiche necessarie vanno perdute. Il team sta studiando soluzioni a questo problema. IRENA Il prof. Esko Kauppinen dell’Università di Aalto, in Finlandia, ha concluso la prima sessione della mattina presentando il progetto IRENA, avviato a settembre 2013 e che si concluderà a metà 2017. Il progetto è dedicato allo sviluppo di materiali ad alte prestazioni, in particolare pellicole sottili di nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) metallici e semiconduttori per eliminare completamente l’uso dei metalli critici nei dispositivi elettronici. Il fine ultimo è sostituire l’indio nelle pellicole conduttrici trasparenti e l’indio e il gallio come semiconduttore nelle pellicole sottili dei transistor a effetto di campo. Il team di IRENA sta sviluppando un’alternativa che sia flessibile, trasparente ed estensibile in modo da poter soddisfare le esigenze dell’elettronica del futuro, tra cui la possibilità di stampare componenti elettronici. IRENA coinvolge tre partner europei e tre giapponesi. Il team ha competenze nella sintesi di nanotubi, produzione di pellicole sottili e costruzione di dispositivi flessibili, modellazione della crescita dei nanotubi e processi di trasporto della carica delle pellicole sottili e il progetto ha tratto vantaggio dallo scambio di membri del team tra gli istituti. Uno dei princiapli risultati ottenuti finora è che il progetto è riuscito a usare una pellicola sottile di nanotubi per la prima volta come elettrodo e strato di blocco del foro in una cella solare organica. - Creazione di reti e innovazione per la sostituzione delle materie prime critiche
Paesi
Finlandia, Paesi Bassi, Norvegia, Regno Unito