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Traduzione a cura di Denis Gobbi

Ricercatori di un laboratorio di Berkeley hanno realizzato un sistema che tramite reazioni chimiche verdi alimentate a luce solare sequestrano CO2 dall’ambiente

 

 

Un nuovo sistema che utilizza luce solare per convertire diossido di carbonio in prodotti chimici utili a fabbricare plastiche biodegradabili, prodotti farmaceutici e combustibili liquidi. Il tutto è stato dimostrato da alcuni scienziati statunitensi.

Nel loro sistema ibrido, nanofili metallici e batteri lavorano insieme per mimare la fotosintesi – il processo utilizzato dagli organismi viventi per catturare energia dal sole e utilizzarla per produrre nutrienti a partire da diossido di carbonio e acqua.

Ma piuttosto che produrre nutrienti, questo sistema è stato progettato per utilizzare la luce del sole al fine di convertire le emissioni di diossido di carbonio e l’acqua in acetato – un mattone chimico da costruzione molto versatile che può venire utilizzato per sintetizzare molecole più complesse.

Anche se questa tecnologia è ancora piuttosto lontana dal poter essere commercializzata in modo redditizio, una sua versione futura potrebbe fornire una valida alternativa alla cattura e all’immagazzinamento della CO2, offrendo un’opzione pulita per impedire al diossido di carbonio di entrare nell’atmosfera.

Crediamo che il nostro sistema rappresenti un rivoluzionario salto in avanti nel campo della fotosintesi artificiale.

Il nostro sistema ha il potenziale per poter cambiare profondamente l’industria chimica e petrolifera in quanto potremmo produrre prodotti chimici e combustibili in modo totalmente nuovo e rinnovabile, piuttosto che estraendoli dalle profondità nel sottosuolo.

– Peidong Yang, chimico e capo ricercatore all’Università Californiana di Berkeley

Il sistema è composto da nanofili di silicio e titanio disposti verticalmente. Questi fili assorbono la luce del sole, la quale avvia il sequestro del diossido di carbonio. Questa struttura viene infatti popolata da batteri capaci di produrre enzimi conosciuti per la loro abilità nel catalizzare selettivamente la riduzione del diossido di carbonio.

 

Immagine SEM a sezione trasversale della struttura verticale di nanofili e batteri utilizzati in questo rivoluzionario sistema di fotosintesi artificiale

 

Per questo studio, la squadra ha utilizzato gli Sporomusa ovata, un batterio anaerobico che prende gli elettroni direttamente dall’ambiente circostante  e li usa per ridurre il diossido di carbonio.

Lo S. ovata rappresenta un fantastico catalizzatore per il diossido di carbonio in quanto produce acetato, un composto chimico intermedio molto versatile che può essere utilizzato per la produzione di una variegata gamma di composti chimici utili.

Siamo stati in grado di popolare uniformemente l’ambiente di nanofili con i batteri utilizzando semplicemente acqua con tracce di vitamine come unico componente organico.

– Michelle Chang, co-autrice dello studio di UC Berkeley

Una volta che il diossido di carbonio è stato ridotto dai batteri in acetato, E.coli geneticamente modificati vengono utilizzati per sintetizzare i prodotti chimici di riferimento.

 

 

La squadra ha raggiunto un’efficienza di conversione dell’energia solare dello 0,38 % in circa 200 ore sotto luce solare artificiale, un’efficienza paragonabile a quella di una foglia. Ma serve ancora ulteriore ricerca prima che il loro sistema possa risolvere il problema mondiale legato alle emissioni di diossido di carbonio.

Come molti ormai sanno, più diossido di carbonio immettiamo nell’atmosfera più la sua temperatura sale di conseguenza. I livelli atmosferici di diossido di carbonio sono ormai ai massimi livelli per quanto riguarda gli ultimi tre milioni di anni, risultato dovuto principalmente alla combustione di risorse fossili. Nonostante tutto, però, i combustibili fossili rimangono una risorse energetica significativa per il nostro prossimo futuro. Tecnologie in grado di sequestrare la CO2 prima che si diffonda nell’atmosfera vengono attualmente utilizzate ma richiedono che essa venga poi immagazzinata, una caratteristica che pone una sfida ambientale significativa.

La squadra afferma di star lavorando adesso ad un sistema analogo di seconda generazione, avente un’efficienza di conversione da energia solare a composto chimico del 3 %. Continuano affermando che se riusciranno a raggiungere un’efficienza del 10% in una maniera costo-effettiva, la tecnologia potrebbe venire commercializzata con successo.

I ricercatori hanno descritto il loro sistema nel giornale Nano Letters, pubblicato dalla American Chemical Society.

 

Fonti: sciencealert.com eurekalert.com pubs.acs.org

 

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Traduzione a cura di Denis Gobbi

Dei ricercatori hanno identificato fattori chiave necessari allo sviluppo di un catalizzatore che permetterà loro di replicare la fotosintesi e convertire l’anidride carbonica in carburante pulito.

leafMolti scienziati hanno speso decenni nel tentativo di replicare il processo della fotosintesi – quella reazione che permette alle piante di convertire il biossido di carbonio, acqua e luce solare nello zucchero che alimenta la loro crescita. Se riuscissimo a replicare una “fotosintesi artificiale”, saremmo essenzialmente in grado di creare in maniera facile ed economica biofuel dall’eccesso di anidride carbonica presente nella nostra atmosfera. E’ stato provato però come questo risulti un traguardo estremamente difficile da raggiungere.

Biparticelle metalliche di oro/rame usate come catalizzatore nella degradazione del biossido di carbonio, una reazione chiave necessaria alla fotosintesi artificiale

Biparticelle metalliche di oro/rame usate come catalizzatore nella degradazione del biossido di carbonio, una reazione chiave necessaria alla fotosintesi artificiale

Ora, scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory negli Stati Uniti hanno raggiunto un importante traguardo, identificando due fattori chiave che dovranno essere considerati nella creazione di un catalizzatore che riduca il biossido di carbonio e aiuti a guidare la sua conversione in zucchero.

Un catalizzatore è essenzialmente una sostanza che velocizza una reazione senza subire nessuna variazione chimica di per sè. Fino ad ora, la ricerca di questo catalizzatore che possa legare selezionatamente ed efficientemente il bioossido di carbonio e le molecole che lo trasformano si è dimostrata estremamente ardua. Per cercar di scoprire di più riguardo i fattori che potrebbero influenzare questo catalizzatore “ideale” il team di ricerca ha creato diversi set di leghe di nanoparticelle bimetalliche di oro-rame.

Queste leghe, tutte con differenti composizioni, sono state testate per cercare di capire quale fosse la più efficace nel degradare il biossido di carbonio e i suoi prodotti intermedi come l’acido carbossilico e il monossido di carbonio.

Quel che hanno scoperto è l’esistenza di due fattori chiave, interconnessi e coinvolti nel determinare l’efficacia di un catalizzatore: gli effetti elettronico e geometrico. L’effetto elettronico si riferisce ai sottili cambiamenti nella composizione superficiale che determinano quanto bene una molecola si legherà al catalizzatore, mentre l’effetto geometrico coinvolge la disposizione degli atomi nel punto di lega.

L'esperto di nanoscienze Peidong Yang possiede una cattedra al "Berkeley Lab, UC Berkeley and the Kavli Energy NanoSciences Institute" di Berkeley

L’esperto di nanoscienze Peidong Yang possiede una cattedra al “Berkeley Lab, UC Berkeley and the Kavli Energy NanoSciences Institute” di Berkeley

“Agendo sinergisticamente, gli effetti elettronico e geometrico determinano la forza legante della reazione intermediatrice e conseguentemente la selettività ed efficienza catalitica nella riduzione elettrochimica del biossido di carbonio.” ha affermato in un rilascio alla stampa Peidong Yang, il chimico che ha guidato lo studio. “In futuro, il design di un buon catalizzatore dotato di una buona attività e selettività per la riduzione del biossido di carbonio richiederà l’attento bilanciamento di questi due effetti, come ha rilevato il nostro studio.”

Usando queste informazioni, possono ora cominciare a creare un catalizzatore che li aiuterà a trasformare il sogno della fotosintesi artificiale in realtà.

Il team crede che le nanoparticelle possano creare il catalizzatore ideale per via dei loro vantaggiosi rapporti superficie/volume e superficie/massa; combinandoli insieme potranno sbloccare potenziali ancor più grandi.

“Con queste leghe, crediamo di poter regolare la forza degli intermediatori sulla superficie del catalizzatore per potenziare l’efficacia della reazione che ci permetterà di ridurre il biossido di carbonio.” ha detto Yang.

“Le nanoparticelle costituiscono una piattaforma ideale per lo studio di questa dinamica perchè, tramite appropriati processi di sintesi, possiamo avere accesso ad una grande varietà di composizioni, dimensioni e forme, donandoci una comprensione più profonda della performance di un catalizzatore tramite un preciso controllo dei siti attivi.”

Utilizzando i benefici delle nanoparticelle combinate con la scoperta dei fattori chiave che determinano l’efficacia di un catalizzatore, Yang crede che la strada per miglioramenti verso l’ottenimento di una fotosintesi artificiale sia ormai stata tracciata.

Fonte: nature.com

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Traduzione a cura di Daniel Iversen

Electronic microscopic image of a nanoforest, or "3D branched nanowire array." Green tint added for contrast. Image Credit: (Credit: Wang Research Group, UC San Diego Jacobs School of Engineering)

Università della California, San Diego. Ingegneri elettronici stanno costruendo una foresta di piccolissimi alberi nanowire al fine di catturare l’energia del sole in maniera pulita senza usare combusibili fossili per destinarla alla produzione di idrogeno.

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Come segnalato nella rivista Nanoscale, il team ha spiegato che i nanowires, fatti con materiali naturali abbondanti come silicio e ossido di zinco, offrono anche una via economica per fornire l’idrogeno combustibile ad una massa di persone più grande.

“E’ un modo pulito per generare del carburante pulito”, dice Deli Wang, professore presso il Dipartimento di ingegneria informatica ed elettronica al UC San Diego School of Engineering.

La struttura verticale e i rami di questi alberi sono le principali chiavi per catturare la massima quantità di energia solare, secondo Wang, ciò perchè questo tipo di struttura cattura e assorbe la luce al contrario delle superfici piane, che la riflettono semplicemente, dice Wang, aggiungedo che ciò è simile alle cellule fotorecettrici della retina nell’occhio umano. Osservando le immagini della Terra fatte dallo spazio si nota che la luce viene riflessa da superfici piane, come oceani o deserti, mentre le foreste appaiono più scure.

Il team di Wang ha imitato questa struttura nella loro “matrice 3D ramificata e nanowire”, che utilizza un processo chiamato idrolisi foto-elettrochimica per produrre il gas idrogeno. L’idrolisi si riferisce al processo di scissione dell’acqua in molecole di ossigeno e idrogeno per estrarre quest’ultimo da utilizzare poi come combustibile.
Il processo utilizza energia pulita, senza sottoprodotti di gas serra. In confronto, il sistema convenzionale di produzione dell’idrogeno su basa su elettricità ottenuta da combustibili fossili.

“L’idrogeno è considerato pulito rispetto ai combustibili fossili perchè non vi è nessuna emissione di carbonio, ma quello attualmente utilizzato non viene affatto generato in maniera pulita” ha detto Ke Sun, studente dottorando in ingegneria elettronica che ha guidato il progetto.

Con la raccolta di una maggiore quantità di luce solare usando la struttura verticale dei nano-alberi, il team di Wang ha sviluppato un modo per produrre idrogeno in maniera più efficiente rispetto alle controparti planari.
Wang è inoltre affiliato con il California Institute of Techology e con il Material Science and Engineering Program al UC San Diego.

La struttura a fronda verticale ottimizza anche l’uscita del gas idrogeno, ha detto Dom Ad, come ad esempio, sull’ampia superficie piana di una pentola d’acqua che bolle, le bolle devono allargarsi per arrivare in superficie. Nella struttura dei nano-alberi, bolle di gas piccolissime possono venire estratte molto più velocemente. “Inoltre, con questa struttura, abbiamo migliorato di almeno 400,000 volte l’area di superficie per le reazioni chimiche” ha detto Sun.

Nel lungo periodo ciò a cui punta la squadra di Wang è ancora più grande: la fotosintesi artificiale. In questo processo le piante, dal momento in cui assorbono la luce del sole, raccolgono anche l’anidride carbonica (CO2) e l’acqua dall’atmosfera per creare carboidrati destinati alla propria crescita. Il team di Wang spera di imitare questo processo per catturare anche la CO2 dall’atmosfera, riducendo le emissioni di carbonio, e convertirlo in combustibile idrocarburico.

“Stiamo cercando di imitare quello che fa la pianta per convertire la luce del sole in energia” ha spiegato Sun. “Speriamo che in un futuro prossimo la nostra struttura a “nano-albero” potrà eventualmente fare parte di un dispositivo efficiente che funziona come un vero albero per la fotosintesi”

La squadra sta anche studiando delle alternative all’ossido di zinco, che assorbe la luce ultravioletta del sole, ma però ha problemi di stabilità che influenzano la durata di utilizzo della struttura a nano-albero.

Fonte: Sciencedaily

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Traduzione a cura di Daniel Iversen

E se si potesse generare dell’energia solare a casa propria solamente mescolando un pò di erba appena tagliata con delle comuni sostanze chimiche?
Questo è esattamente il caso della scoperta di un ricercatore della MIT, Andreas Mershin.
Lo scienziato spiega che creare pannelli solari potrebbe essere talmente semplice che basterebbe mescolare qualsiasi materiale verde organico (erba tagliata, rifiuti vegetali) con una confezione di sostanze chimiche personalizzate per poi spalmare la mistura su di un tetto.
Una volta che l’efficienza di tale sistema sarà migliorata, questo tipo di tecnologia solare potrebbe rendere disponibile energia a basso costo nelle zone rurali e nei paesi in via di sviluppo dove le persone non hanno accesso all’energia a dei prezzi abbordabili.

Continuate a leggere per poi vedere il video dei risultati di Mershin.

Qui a Inhabitat abbiamo seguito alcuni dispositivi bio-fotovoltaici (in grado cioè di generare energia dalla fotosintesi), e anche se le possibilità in questo campo sono infinite, la maggiorparte di esse sono molto costose e hanno ancora una lunga strada per ragguingere il mercato. In un studio pubblicato su Scientific Reports, Mershin e i suoi colleghi ricercatori hanno creato un processo per “dirottare” le molecole PS-I, responsabili della fotosintesi. Come Mershin spiega nel video, al fine di ottenere che queste molecole lavorassero per loro, hanno dovuto estrarre la proteina che è al centro della fotosintesi e stabilizzarla in modo da farla continuare a vivere e funzionare in un pannello solare.

Mershin ed il suo team hanno sviluppato una intricata struttura nanometrica di diossido di titanio sostenuta da nano-fili, che trasporta un flusso di corrente. Il sistema è in grado di convertire solo 0.1 per cento dell’energia solare in elettricità, ossia quattro volte i precedenti sistemi biofotovoltaici; tale percentuale dovrà però essere ulteriormente migliorata prima di rendere utile tale tecnologia. La svolta, in accordo con lo studio, promette di portare un’energia solare poco costosa ed ecocompatibile , e Mershin spera che nel corso di qualche anno qualcuno, nei paesi in via di sviluppo, sarà in grado di prendere un pò di erba tagliata, mescolarla con alcuni componenti chimici, e pittuarli su di un tetto per ottenere energia.

Fonte: Zeitnews.org

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