Nuovi combustibili dalla fotosintesi artificiale su bolle di sapone

È possibile creare nuovi carburanti a zero emissioni utilizzando gli stessi processi messi in atto dalla natura? Sì, secondo i ricercatori dell’Università di Uppsala che guidano il progetto di ricerca SoFiA (Soap Film Artificial photosynthesis), cui partecipano anche l’Università di Leiden, l’Università di Amsterdam, il Politecnico di Torino e diversi istituti di ricerca internazionali.

L’obiettivo del progetto, che nel 2019 ha ricevuto un finanziamento di 3,2 milioni di euro dalla Commissione Europea, è quello di trasformare la CO2 in combustibile e materie prime per l’industria mimando la membrana tilacoidale delle foglie, in cui avviene la fase luminosa della fotosintesi.

Oggi gli obiettivi del progetto SoFiA sembrano più vicini: l’ultimo importante contributo arriva dai ricercatori del Politecnico di Torino, che in uno studio appena pubblicato hanno dimostrato per la prima volta la possibilità di utilizzare i film di sapone come membrane reattive, aprendo la strada alla produzione di combustibili solari dalla CO2.

Un passo avanti verso i carburanti solari generati… dall’aria
L’anidride carbonica è una risorsa e l’atmosfera la sua… “miniera”

Come ingegnerizzare una bolla di sapone: lo studio italiano

Il nuovo studio del Politecnico di Torino, appena pubblicato su “Physical Review Letters” da un team di ricercatori coordinato dal professor Eliodoro Chiavazzo, dimostra come creare delle dissimetrie nei film di sapone, ovvero come ingegnerizzare “le sottili pareti delle comunissime bolle di sapone”.

I film di sapone hanno una tipica conformazione simmetrica, a sandwich, in cui due sottili pellicole di tensioattivi racchiudono un certo volume d’acqua: i ricercatori hanno messo a punto un processo che permette di “rompere” questa simmetria sfruttando la deposizione asimmetrica di agenti chimici tramite un aerosol sulle superfici del film.

Tale risultato si traduce nella possibilità di utilizzare i film di sapone come membrane reattive (auto-riparanti e a basso costo) per diverse applicazioni energetiche, tra cui i processi foto-catalitici per la produzione di combustibili solari come il monossido di carbonio a partire dalla CO2. La fotosintesi naturale, infatti, si basa proprio sull’asimmetria.

“Siamo orgogliosi che il contributo del Politecnico sia stato decisivo nell’individuare la corretta tecnica di doping e nel formulare la comprensione teorica dei processi alla base di tale tecnologia”, spiega il professor Eliodoro Chiavazzo.

“Averla dimostrata sui film di sapone”, continua il professore, “ha una grossa valenza non solo scientifica ma anche tecnologica, perché ci consegna una piattaforma a basso costo e di facile realizzazione in cui è possibile controllare il grado di simmetria su scala atomistica”.

Le sorprese della chimica: così i rifiuti in plastica diventano sapone
Chimica futura: le nuove sfide dell’industria per la sostenibilità

SoFiA, possibile la fotosintesi artificiale su un film di sapone

Il nuovo studio del Politecnico di Torino è l’ultimo importante contributo a un grande progetto di ricerca avviato nel 2019 e reso possibile dalla collaborazione di numerose Università e centri di ricerca a livello internazionale: “Insieme ad un gruppo internazionale di colleghi stiamo lavorando da anni sull’utilizzo di tali strutture a film come membrane reattive”, spiega Luca Bergamasco, tra gli autori dello studio.

La ricerca rientra nel programma del Progetto Europeo multidisciplinare SoFiA (Soap film artificial photosynthesis), che coinvolge tra gli altri l’Università di Uppsala, l’Università di Leida e l’Università di Amsterdam.

Alla base del progetto, l’ambizioso obiettivo di mimare la membrana tilacoidale delle foglie, quella in cui avvengono i processi della fase luminosa della fotosintesi, per creare una “sintesi clorofilliana” artificiale da cui ottenere combustibili solari.

“La fotosintesi cattura la luce solare e usa la sua energia per guidare reazioni chimiche che accumulano sostanze ricche di energia come i carboidrati“, spiega Leif Hammarström, professore di fisica chimica presso il Laboratorio Ångström all’Università di Uppsala, nonché coordinatore del progetto.

Plastica e chimica: tutti i contorni di una relazione… “pericolosa”
Per cambiare l’ecosistema marino basta una goccia di petrolio

La fotosintesi artificiale come una vera alternativa al fossile

La maggior parte dei combustibili come l’etanolo e l’idrogeno sono oggi prodotti a partire da fonti fossili, sfruttando il petrolio come materia prima. Secondo gli scienziati, però, la fotosintesi artificiale rappresenta un’alternativa valida, sostenibile ed efficiente a questo processo. In sostituzione dei derivati del petrolio, si utilizzano sole, acqua, CO2 e un sottile film di sapone.

Utilizzando una tecnica simile a quella delle celle solari, la fotosintesi artificiale studiata dal professor Hammarström è in grado di produrre combustibile in forma gassosa o liquida simulando quello che avviene nelle piante, ovvero trasformando l’energia del sole in energia chimica.

L’idea degli scienziati è quindi quella di mimare la membrana dei tilacoidi usando film di sapone contenenti classi di tensioattivi catalizzatori molecolari ottenuti da materiali molto abbondanti sulla Terra.

“La maggior parte della nostra ricerca ruota attorno al lavoro scientifico di base in cui cerchiamo di comprendere i principi primi e di sviluppare nuovi catalizzatori e meccanismi”, spiega Hammarström in un’intervista del 2022, “si tratta di accelerare la reazione chimica in modo che i processi diventino più efficienti dal punto di vista energetico”.

Un’ingegneria genetica per l’agricoltura e l’alimentazione sostenibili
Ecco il primo gelato alla vaniglia prodotto da… rifiuti in plastica

La fotosintesi per i combustibili sostenibili: oltre il… sapone

Nel Dipartimento di Chimica del Laboratorio Ångström non c’è soltanto il gruppo di Leif Hammarström impegnato con bolle di sapone e tensioattivi. Nel team di ricerca coordinato da Pia Lindberg, per esempio, si cerca di ottenere dei combustibili non fossili sfruttando la fotosintesi naturale operata da cianobatteri geneticamente modificati.

Normalmente, i cianobatteri usano la fotosintesi per accrescersi, ma l’ingegneria genetica può “convincerli” a fare tutt’altro, come produrre butanolo.

“L’idea è quella di produrre sostanze chimiche rinnovabili e combustibili dall’anidride carbonica presente nell’atmosfera utilizzando microrganismi”, spiega Lindberg, “di utilizzare la fotosintesi in modo diretto in microrganismi geneticamente modificati in cui possiamo controllare ciò che il microrganismo fa e produce”.

Il grande vantaggio di questo metodo, spiega la professoressa Lindberg, è che “utilizza l’anidride carbonica dell’atmosfera, il che significa che non ha bisogno di zucchero, ma sfrutta appieno il processo proprio dell’organismo”.

Gli ultimi risultati di questo filone della ricerca risalgono al maggio 2023, quando la équipe della Lindberg ha pubblicato uno studio in cui si dimostra che i cianobatteri modificati possono produrre isoprene (un carburante sintetico sostenibile perfetto per l’aviazione), utilizzando l’energia solare e l’anidride carbonica presente nell’aria.

L’ambizioso progetto di produrre di carburanti a zero emissioni dalla CO2, che coinvolge gruppi di ricercatori di tutto il mondo, è sempre più vicino ad essere una realtà.

Carbon Capture and Storage: come dovremmo usare la CO2?
Catturare e stoccare la CO2: 5 strategie sulla via dello zero netto