Produrre carburanti per l’aviazione da zero
L’aviazione fa ampio uso di carburanti ad alta densità energetica, che la rendono il secondo più grande consumatore di energia nei trasporti dopo quello su strada. Nonostante decenni di progressi tecnologici per migliorare l’efficienza energetica, il settore dipende ancora dai combustibili fossili, contribuendo in modo significativo alle emissioni di gas serra del settore dei trasporti, pari al del 13 % delle emissioni totali.
Un nuovo modo di produrre carburante per jet
Per ridurre la dipendenza dell’aviazione dai combustibili fossili, il progetto 4AirCRAFT(si apre in una nuova finestra), finanziato dall’UE, ha esplorato modi innovativi per produrre carburante per jet direttamente da CO2 e idrogeno (H2). Il team ha sviluppato una tecnologia che converte la CO2 in idrocarburi a catena lunga (≥C8), utilizzati come precursori del carburante per aerei. «Abbiamo convertito la CO2 in monossido di carbonio (CO) e idrogeno (H2) a temperatura ambiente, poi abbiamo trasformato l’esanolo (un tipo di alcol) in una frazione dell’esene in condizioni miti (140-160 °C), seguita dalla conversione in idrocarburi a catena lunga», spiega la coordinatrice del progetto Vanesa Gil. Il concetto di 4AirCRAFT si basa su un unico reattore a cascata composto da tre moduli interconnessi. «Ci siamo concentrati sull’ottimizzazione della selettività della CO2 e della conversione elettrochimica in prodotti utili (modulo reattore elettrochimico) e sulla disidratazione dell’alcol in eseni e poi in idrocarburi a catena lunga (mediante un modulo reattore chemio-catalitico biomimetico)», aggiunge l’autrice. L’approccio complessivo si basa sulla produzione di alcoli dal gas di sintesi (una miscela di CO e H2) utilizzando un modulo microbico come fase intermedia. Il modulo di elettroriduzione della CO2 utilizza un progetto di elettrodo a membrana a gap zero, raggiungendo una selettività del 48-96 % per il CO e del 52-96 % per il CO + H2 a temperatura ambiente. Il modulo chemio-catalitico biomimetico converte alcoli come l’1-esanolo in idrocarburi a catena lunga e in precursori di carburante per aerei. Utilizzando catalizzatori stampati in 3D e ispirati all’argilla, disidrata l’1-esanolo in eseni con una resa in alcheni fino al 96 % e converte gli alcheni in idrocarburi ed esteri con un tasso di conversione del 95 %.
Catalizzatori migliori per carburanti più puliti
Il progetto ha utilizzato elettro- e chemio-catalizzatori avanzati ottimizzando i loro ambienti per rendere il processo più efficiente dal punto di vista energetico. I catalizzatori a base di zinco (Zn) hanno raggiunto una selettività del 90 % per la produzione di CO e del 94 % per una miscela di CO e H2. Nella seconda fase, l’impegnativa fase di disidratazione dell’esanolo negli eseni desiderati ha raggiunto rese superiori al 70 % alle temperature più basse mai riportate per questa reazione. I catalizzatori più efficaci comprendevano composti come il triflato di afnio, il triflato di rame, l’acido triflico e materiali a base di argilla, tutti utilizzati in basse quantità catalitiche (2-10 mol %).
Gli enzimi come biocatalizzatori
Inoltre, i ricercatori hanno esplorato l’uso di biocatalizzatori per la disidratazione dell’alcol, migliorando le modalità di stabilizzazione di questi catalizzatori e rendendo più efficiente la sintesi Fischer-Tropsch (un processo chimico che converte CO e H2 in idrocarburi liquidi) in condizioni miti. Uno degli obiettivi della biocatalisi è stato quello di esplorare la linalolo deidratasi isomerasi (LinD), un enzima naturale che disidrata gli alcoli. Testato in diverse forme, tra cui cellule intere, enzima purificato, pellet di cellule ed estratti grezzi, ha disidratato efficacemente alcuni alcoli primari come il geraniolo, ma ha avuto difficoltà con altri. Tuttavia, ha mostrato un forte potenziale per la conversione degli alcoli allilici in prodotti di alto valore.
Aumentare le prestazioni degli enzimi con strutture metallorganiche
Per migliorare ulteriormente le prestazioni dell’enzima, il team ha utilizzato strutture metallorganiche (MOF), in grado di incapsulare in modo sicuro gli enzimi. «Pur riducendo l’attività, si sono gettate le basi per la creazione di ibridi enzima-MOF stabili, aprendo nuove possibilità per l’ingegneria catalitica avanzata», sottolinea la ricercatrice.
Superare i limiti
I metodi convenzionali di produzione di combustibili basati su fonti fossili spesso mancano di efficienza, selettività e alti tassi di conversione. 4AirCRAFT ha dimostrato una tecnologia efficiente, flessibile e scalabile per convertire la CO2 riciclata in carburanti liquidi sostenibili, concentrandosi sulla progettazione di materiali catalitici per superare le barriere energetiche nei passaggi chiave della reazione.
