Energia verde, impariamo dalle piante

Dalla fotosintesi artificiale una soluzione per il riscaldamento globale. “Ognuno potrà disporre sul proprio territorio dell’energia di cui ha bisogno. Chiaramente questo avrà un enorme impatto geopolitico”

Dalla fotosintesi clorofilliana potrebbe arrivare la soluzione per produrre un combustibile davvero ecologico e a impatto zero. Secondo Leonardo Guidoni, responsabile scientifico del progetto europeo Erc – MultiscaleChemBio, coordinato dalla Sapienza di Roma, e i suoi collaboratori Daniele Bovi e Daniele Narzi, fra 20-30 anni potrebbe essere possibile riprodurre artificialmente ed in maniera economicamente vantaggiosa il processo della fotosintesi clorofilliana, creando così energia verde a partire da due elementi semplicissimi: la luce e l’acqua.

La fotosintesi clorofilliana è un processo naturale alla base della vita sulla terra, con il quale alcuni organismi, in primis i vegetali, riescono a catturare ed immagazzinare l’energia solare sotto forma di combustibile. La riproduzione artificiale di tale processo su larga scala consentirebbe di estrarre idrogeno direttamente dall’acqua con un minimo dispendio di risorse e di utilizzarlo in seguito come combustibile a impatto ambientale zero.

Le automobili a idrogeno, tanto per fare un esempio, esistono già da parecchi anni.Tuttavia, allo stato attuale delle cose, per produrre industrialmente l’idrogeno si utilizza il petrolio.Poter ottenere tale combustibile direttamente da acqua e luce in maniera vantaggiosa, sia dal punto di vista economico che dal punto di vista ambientale, sarebbe quindi più che auspicabile.

Fin dalle loro origini sul nostro pianeta, le piante, le alghe e alcuni tipi di batteri sfruttano la radiazione solare come fonte di energia primaria, assorbendo la luce e convertendola in glucosio attraverso il processo della fotosintesi. Per svolgere questo compito utilizzano un complesso sistema biochimico chiamato Fotosistema II, che è rimasto pressoché immutato durante miliardi di anni di evoluzione. Durante la fotosintesi, con la mediazione della clorofilla, la luce solare permette di convertire sei molecole di anidride carbonica e sei molecole di acqua in una molecola di zucchero, una sostanza fondamentale per la vita. Come sottoprodotto della reazione si produce l’ossigeno, che la pianta libera nell’atmosfera attraverso piccoli fori che si trovano nella foglia, detti stomi. L’ossigeno ha reso possibile l’evoluzione di esseri viventi che utilizzano un metabolismo aerobico come gli esseri umani.
La comprensione dettagliata del funzionamento di questo complesso sistema molecolare è utile non solo per svelare i segreti della fotosintesi naturale, ma per aprire nuove strade allo sviluppo di tecnologie atte alla produzione di energie rinnovabili che possano imitare la strategia adottata dagli organismi fotosintetici che si trovano in natura. Per comprendere a fondo come le piante svolgano il processo della fotosintesi, gli studiosi coinvolti nel progetto europeo, che è coordinato dalla prima Università romana ed ha come istituzione partner l’Università degli Studi de L’Aquila, ne hanno studiato i meccanismi molecolari fondamentali attraverso simulazioni effettuate su supercalcolatori. I loro risultati sono stati riportati in un recente studio pubblicato sulla rivista tedesca Angewandte Chemie.

Ispirati ai processi naturali, numerosi laboratori in tutto il modo si stanno dedicando a realizzare la cosiddetta Fotosintesi Artificiale, ossia riprodurre i processi di conversione energetica che avvengono nelle piante utilizzando materiali sintetici per la produzione di energia pulita su larga scala. In sintesi, invece di produrre glucosio e ossigeno, la fotosintesi artificiale dovrebbe produrre idrogeno, anche se con un processo simile a quello naturale. Le molecole di acqua si possono scindere nelle loro componenti fondamentali, idrogeno ed ossigeno. Questo processo è energeticamente molto dispendioso e per svolgerlo si utilizzerà la luce solare. L’idrogeno verrà immagazzinato in opprtuni serbatoi per poi essere utilizzato ricombinandolo con l’ossigeno, così da produrre acqua e liberare energia che potrà essere utilizzata per produrre calore o elettricità.

Nel laboratorio del Prof. Daniel Nocera, negli Stati Uniti, è stato già realizzato un prototipo di foglia artificiale, nel quale l’energia solare viene utilizzata direttamente per realizzare l’elettrolisi dell’acqua, ossia ricavare da due molecole di acqua una molecola di ossigeno e due di idrogeno. L’idrogeno potrà essere in seguito usato come reagente nelle celle a combustibile (fuel cells) e ritrasformato in energia.

In un secondo recente lavoro, pubblicato su Journal of the American Chemical Society, il funzionamento di questa foglia artificiale è stato studiato attraverso simulazioni al calcolatore dal gruppo del Professor Leonardo Guidoni, in collaborazione con i ricercatori Giuseppe Mattioli ed Aldo Amore Bonapasta del Cnr di Montelibretti ed il Professor Paolo Giannozzi dell’Università di Udine.

“La forza di questo genere di approvvigionamento – ci spiega Guidoni – sta nel fatto che la produzione non sarà più centralizzata attraverso una rete gestita da grandi società, ma ognuno potrà disporre sul proprio territorio dell’energia di cui ha bisogno. Chiaramente questo avrà un enorme impatto geopolitico, in quanto le nazioni del terzo mondo o comunque della zona temperata-equatoriale sarebbero quelle che potrebbero sfruttare maggiormente questa fonte. Per non parlare del fatto che ci potremmo svincolare dalle multinazionali. Ma un ingrediente chiave dei dispositivi di Fotosintesi Artificiale – prosegue lo scienziato – è che dovranno essere in grado di produrre energia a basso costo e di essere costruiti su scala industriale, altrimenti non potranno risolvere il problema per tutti e rimarranno solo dei prototipi. Se questo sarà possibile avremo apparecchiature in grado di ottenere combustibile dal sole, economiche ed istallabili in qualunque zona del pianeta”.

Dal punto di vista di ricerca di base già da 20-30 anni ci sono diversi gruppi di ricerca, soprattutto in Giappone, Europa e Stati Uniti, che cercano di studiare il meccanismo alla base della fotosintesi nelle piante per potersi ispirare ad essa nella costruzione di dispositivi economici ed a basso impatto ambientale.
La ricerca italiana costituisce un nuovo e importante tassello in questo ambito di indagine. In una delle prime fasi del processo gli studiosi hanno utilizzato i maggiori supercalcolatori scientifici nazionali e internazionali per simulare il processo di fotosintesi – per l’Italia il centro di calcolo dell’Università dell’Aquila e il Cineca a Bologna.
“Se questa strada porterà alla fine ad un prodotto che possa venire usato da tutti – conclude il professor Guidoni – dipenderà anche dagli investimenti nella ricerca di base ed applicata. Stiamo comunque parlando di prospettive di 20-30 anni per eventualmente cambiare radicalmente il modo di produzione dell’energia mondiale”.

 Laura Gobbo

 Materiale video a disposizione

Video della simulazione molecolare al computer

Articoli internazionali sul tema della Fotosintesi Artificiale (anche qui)

Seminario del Prof. Daniel Nocera, l’inventore della prima foglia artificiale

Articolo del professor Guidoni su fotosintesi naturale e sulla foglia artificiale.