Sfruttare la fotosintesi semi-artificiale per creare prodotti chimici e combustibili sostenibili
La fotosintesi è un’antica macchina per generare energia. Per miliardi di anni, le piante hanno utilizzato la luce del sole, l’acqua e piccole concentrazioni di anidride carbonica dall’atmosfera per creare carburante sotto forma di zuccheri. La fotosintesi artificiale utilizza gli stessi principi, ricorrendo tuttavia a materiali creati dall’uomo. Entrambi i processi hanno vantaggi e limiti: i sistemi naturali sono limitati nella loro efficienza, mentre quelli sintetici in ciò che possono produrre - siamo ancora lontani dal creare zuccheri. La fotosintesi semi-artificiale mira a prendere il meglio di entrambi i mondi. Essa utilizza enzimi provenienti da organismi naturali come i batteri e li integra in sistemi sintetici in qualità di catalizzatori. Ciò offre nuove strategie per lo sviluppo di tecnologie altamente efficienti in grado di convertire l’energia solare in combustibili chimici sostenibili. «Se vogliamo arrivare a un azzeramento delle emissioni nette entro il 2050, non basta produrre molta elettricità rinnovabile. A un certo punto, anche gli impianti petrolchimici e le fabbriche di plastica dovranno diventare sostenibili», spiega Erwin Reisner, docente di Energia e sostenibilità presso l’Università di Cambridge e coordinatore del progetto MatEnSAP. «Vogliamo contribuire alla transizione da un’industria chimica alimentata da combustibili fossili a un’industria chimica alimentata dall’energia solare, o almeno verde», afferma. Il progetto MatEnSAP, finanziato dal Consiglio Europeo della Ricerca (CER), ha esaminato nuovi catalizzatori biologici da integrare nella fotosintesi artificiale, gettando le basi per il campo della fotosintesi semi-artificiale.
Batteri come catalizzatori
MatEnSAP ha testato una serie di potenziali enzimi provenienti da organismi biologici che potrebbero accrescere la fotosintesi artificiale. Alcuni di questi enzimi potrebbero essere in grado di convertire l’anidride carbonica in carburante pulito con quasi nessuna perdita di energia, un’impresa attualmente impossibile da portare a termine con i catalizzatori sintetici. La squadra ha lavorato anche su metodi per caratterizzare gli organismi allo scopo di trovare quelli più adatti. «Tutti hanno proprietà molto diverse», osserva Reisner. «Ci sono voluti un paio d’anni per individuarne uno che funzionasse davvero bene nei nostri sistemi». La squadra ha poi creato una serie di componenti per dimostrare la fattibilità della fotosintesi semi-artificiale, tra cui reattori elettrochimici, assorbitori di luce e polimeri.
Ponteggi porosi
Uno sviluppo chiave del progetto è stata la creazione di «ponteggi porosi» costituiti da ossidi metallici per ospitare gli enzimi. Le dimensioni dei pori possono essere modificate per adattarsi perfettamente agli enzimi. Possono essere impilati l’uno sull’altro e aumentare le reazioni all’interno del sistema. Gli elettroni generati dai pannelli solari possono essere immessi direttamente negli enzimi, alimentando così la sintesi di carburante dall’anidride carbonica con la luce solare. «Tutto questo è facilitato dal ponteggio e lo abbiamo confermato con una serie di tecniche diverse, messe a punto nell’ambito del progetto», spiega Reisner.
Verso un’industria chimica sostenibile
La squadra ha esplorato l’uso di questi organismi per altre reazioni, tra cui il riciclaggio dei rifiuti. I ricercatori stanno lavorando per ottenere prodotti chimici sostenibili dai rifiuti di plastica e sono nella fase iniziale del lancio di una start-up basata su questo processo. Il lavoro di MatEnSAP proseguirà attraverso un altro progetto finanziato dal CER, SolReGen. MatEnSAP ha dimostrato che la fotosintesi semi-artificiale è un campo di ricerca emergente con rilevanza tecnologica. Questa linea di ricerca sta crescendo, con molti progetti di ricerca correlati in corso in tutto il mondo, in particolare nel campo dei combustibili solari. «Si tratta di un campo di ricerca in rapida crescita», aggiunge Reisner. «Dal punto di vista dell’impatto accademico, credo che sia stato sicuramente un successo».
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