Fotosintesi artificiale: una strada possibile?

Michael Hackhofer / 30 Luglio, 2021 / E-Mobility

Come ridurre l’impatto dell’uomo sull’ambiente? Prendendo esempio… dalla natura stessa!

La fotosintesi è quel processo naturale che permette alle piante di trasformare la luce del sole direttamente in energia utilizzabile. Riprodurlo in modo artificiale è la sfida di un gruppo di scienziati della Purdue University, che sta cercando un modo per replicare quel modello, realizzando foglie artificiali in grado di raccogliere la luce e dividere le molecole d’acqua, per generare idrogeno.

Oltre a eolico e fotovoltaico, ovvero le principali forme di energia pulita ad oggi disponibili, i nuovi progressi nella ricerca stanno aprendo la strada a una terza soluzione possibile (anche se non ancora di immediata applicazione): la fotosintesi artificiale.

Vediamo, di seguito, di cosa si tratta e quali sono gli sviluppi dei recenti studi.

Fotosintesi artificiale e livelli di efficienza

La luce solare che colpisce la Terra in un’ora può fornire abbastanza energia per soddisfare l’intero fabbisogno del pianeta per un anno. Ecco perché trovare modalità efficienti per sfruttare questa preziosa risorsa è importante per vivere in un mondo più sostenibile.

Attualmente il fotovoltaico è il processo che più di tutti si avvicina alla fotosintesi artificiale. Tuttavia, ad oggi, una cella solare converte circa il 20% della luce in elettricità, mentre nel processo di fotosintesi delle piante i raggi luminosi trasformati in energia chimica raggiungono il 60% circa.

Come anticipato, un gruppo di scienziati della Purdue University è al lavoro per imitare il processo naturale, costruendo una foglia artificiale in grado di raccogliere la luce e dividere le molecole di acqua per generare idrogeno. Quest’ultimo può essere:

  • usato come combustibile da solo, nelle celle a combustibile;
  • aggiunto ad altri combustibili, come il gas naturale;
  • costruito in celle a combustibile per alimentare case, veicoli, dispositivi elettronici, ecc.

L’efficienza delle celle fotovoltaiche è limitata dalla capacità dei semiconduttori di assorbire energia luminosa e da quella della cella di produrre energia. Come spiegato da Yulia Pushkar – biofisica e professoressa al Purdue’s College of Science – con la fotosintesi artificiale non ci sono, invece, limitazioni fisiche fondamentali: “Si può facilmente immaginare un sistema efficiente al 60% perché abbiamo già un precedente nella fotosintesi naturale. E se diventiamo molto ambiziosi, potremmo persino immaginare un sistema con un’efficienza fino all’80%”.

Fotosintesi artificiale: tempi e complessità

La realizzazione della fotosintesi artificiale non è, tuttavia, priva di complessità. Come spiega Pushkar, “La chimica della scissione delle molecole d’acqua è estremamente intricata e difficile“.

Il fatto che la fotosintesi sia così multiforme è la difficoltà lamentata, infatti, dagli studenti di biochimica di tutto il mondo. Ad oggi, gli scienziati stanno sperimentando proteine del fotosistema II naturale e combinazioni di catalizzatori sintetici, per capire cosa funzioni meglio (e perché).

Lo studio più recente del gruppo di Yulia Pushkar, pubblicato su Chem Catalysis: Cell Press, offre una panoramica sul modo in cui le molecole di acqua si scindono durante la fotosintesi (la ricerca è finanziata dalla National Science Foundation).

In generale, gli studi sulla fotosintesi artificiale sono iniziati attorno agli anni ’70, ma negli ultimi tempi sono stati fatti passi in avanti molto interessanti: Pushkar ipotizza che nei prossimi 10-15 anni i progressi fatti potrebbero essere sufficienti a permettere la messa in funzione di sistemi commerciali di fotosintesi artificiale.

Insomma, le basi per uno sviluppo futuro di tale soluzione ci sono (anche se non nell’immediato). Da monitorare, però, se effettivamente la fotosintesi artificiale possa rappresentare un’opzione concreta da realizzare.

Altre innovazioni: il fotovoltaico che sfrutta gli ologrammi

Progetti e soluzioni di efficienza energetica, in questi anni, sono in grande fermento.

Anche il settore del fotovoltaico ha fatto passi da gigante negli ultimi decenni, con tecnologie che hanno permesso di ridurre drasticamente i costi e aumentare la produttività. Ma sono ancora molte le strade inesplorate e le ricerche in fase di sviluppo.

Un altro esempio recente, pubblicato sul Journal of Photonics for Energy (JPE) e condotto da un gruppo di ricercatori dell’Università dell’Arizona (Stati Uniti), ha posto l’attenzione su un nuovo modo per aumentare il rendimento dei moduli fotovoltaici, sfruttando un particolare sistema di ologrammi.

In sostanza, all’interno del sandwich a strati del modulo fotovoltaico viene inserito un collettore di luce olografica (HLC), che combina un elemento ottico olografico a basso costo con un diffusore. Tale elemento, posto simmetricamente al centro del modulo, permette di separare i colori della luce solare e dirigerli verso le celle del pannello fotovoltaico.

Ciò consente dunque di catturare più luce, raccogliendo l’illuminazione solare anche nelle zone inattive del modulo, e ottenere un incremento nella produzione fotovoltaica di circa il 5% in un anno.

Il grande vantaggio di questa soluzione con sistema ottico olografico, oltre alla maggior quantità di energia solare convertita in elettricità, riguarda anche il fatto che tale metodo sia scalabile e a basso costo.

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