Fotosintesi in laboratorio

Si potrà riprodurre in provetta lo stadio chiave della fotosintesi naturale

di William GiroldiniProgetti universitari studiano come riprodurre in in modo semplice e veloce la fotosintesi.

Da centinaia di milioni di anni sulla Terra avviene un processo meraviglioso che consente a tutte le specie viventi (uomo compreso) di sopravvivere.

Fotosintesi in laboratorio
Il ricercatore scientifico William Giroldini.

Si tratta della fotosintesi clorofilliana, quel processo biochimico che accade dentro le foglie delle piante e che converte l’anidride carbonica dell’aria (CO2) in zuccheri (in glucosio) e ossigeno (O2), col concorso della luce solare, che rappresenta la fonte di energia necessaria per questa conversione.
Potremmo scrivere per semplicità come notazione: CO2 + H20 + Luce –> Zuccheri + O2 L’ossigeno che noi respiriamo è circa il 20% dell’aria, il resto è azoto, poco argon e CO2.

Tutti gli animali (noi compresi, che siamo fra gli animali più intelligenti e pericolosi) respirano ossigeno ed emettono CO2 come effetto della respirazione.
Quindi (in teoria) prima o poi si raggiunge un equilibrio fra la CO2 fissata dalle piante (incluse le alghe) e quella prodotta dalla respirazione animale, incendi e decomposizione della materia organica.

La CO2 nell’atmosfera è davvero poca: solo il 0.415%. Ma circa due secoli fa, era circa lo 0.30%. Era dunque di meno, ma resta sempre una percentuale molto bassa. Tuttavia la CO2 ha una strana e brutta caratteristica: è una molecola che assorbe fortemente la radiazione solare infrarossa, convertendola in calore.
Al contrario, ossigeno e azoto (gli altri due gas dell’aria) assorbono pochissimo l’infrarosso, che viene quindi riflesso indietro nello spazio e non riscalda l’atmosfera.

Ma quella piccola quantità di CO2 ha grandi impatti sul clima globale. Un solo aumento di 2 gradi centigradi come media ha effetti drammatici e ce ne stiamo accorgendo tutti:  estati più calde, secche e prolungate, piogge di forte intensità in alcune zone, siccità in altre, uragani più frequenti e potenti.

Perché la CO2 è aumentata da due secoli fa ad oggi

Fotosintesi in laboratorio
La formula del biossido di carbonio (da Wikipedia).

Semplice: per le attività umane di estrazione di combustibili fossili (carbone, petrolio e metano) che sono stati bruciati nelle nostre case, industrie, automobili, impianti industriali, aggiungendo altra CO2 nell’aria. Possiamo scrivere questa semplice equazione:  C + O2 –> CO2 + calore
È in effetti il calore, cioè una fonte di energia, quello che si ottiene dalla combustione del carbone e del petrolio e del gas metano. Energia termica che muove tutta la nostra civiltà e può anche essere convertita in energia elettrica.

Bene, anzi…male! Perchè se si continua a bruciare combustibili fossili, la situazione climatica non può che peggiorare ancora. Quindi, che fare per cercare di risolvere il problema? Una soluzione sarebbe l’energia nucleare via Uranio, cioè le esistenti centrali nucleari (ma non piace a molti perché produce un sacco di scorie radioattive difficili da smaltire). Meglio sarebbe l’energia nucleare da fusione dell’idrogeno, che non ha quasi scorie radioattive, produce tantissima energia, ma almeno fino a oggi non si possiede ancora la tecnologia per ottenerla.

E quindi, che fare? Certo, si può puntare sulla energia solare o eolica, ma al momento esse rappresentano una percentuale molto bassa di tutta la energia mondiale prodotta.

Riprodurre artificialmente il processo di fotosintesi

Fotosintesi in laboratorio
Foto di Markéta (Machová) Klimešová da Pixabay.

Un tentativo di soluzione (di cui parlo ora, anche perché io sono un chimico) consiste nel cercare di realizzare la cosiddetta “foglia artificiale”, cioè un procedimento che imita la fotosintesi naturale per fissare la CO2 e trasformarla in prodotti utili. Ovviamente si può anche incrementare la fissazione della CO2 dall’aria attraverso la riforestazione: la CO2 viene fissata come legno e cellulosa. Purtroppo le foreste hanno il brutto vizio di bruciare e riemettere, nella combustione, di nuovo la CO2 e molto calore del tutto disperso in atmosfera. Ciò nonostante, riforestare è una soluzione doverosa da farsi.

Ma guardiamo meglio l’idea della “foglia artificiale”.
La CO2 è una molecola molto stabile, il che significa che è necessario fornire grandi quantità di energia per convertirla in un combustibile. L’idea è quindi di riprodurre artificialmente il processo di fotosintesi che la natura effettua da sempre, ma in modo tale che questo processo sia molto più efficiente e semplificato.

In natura l’efficienza complessiva della fotosintesi non è molto alta: solo circa il 1 – 4% della energia solare che raggiunge le foglie viene convertita in materiale organico.  Studi teorici mostrano che l’efficienza massima possibile si aggira sul 20%, esiste quindi un ampio spazio per migliorare la efficienza del processo fotosintetico nella ipotetica “foglia artificiale”.  Inoltre mentre i tempi di crescita delle piante sono molto lenti, nella foglia artificiale si potrebbero avere tempi molto più rapidi per fissare la CO2.

Green, ma a costi elevati

Fotosintesi in laboratorio
Foto di Markus Distelrath da Pixabay.

Attualmente esistono già processi chimici industriali per trasformare la CO2 per esempio in carburanti attualmente in uso, inclusi metano, metanolo, benzina e carburanti per aviazione. La maggior parte dei carburanti trova applicazione nel settore dei trasporti, mentre alcuni (ad esempio il metano) possono essere utilizzati anche nell’industria, nel riscaldamento domestico e nella produzione di energia.

Tuttavia la CO2 è una molecola molto stabile, come detto, quindi come si arriva a ottenere carburanti dalla CO2?
Ad oggi, i percorsi di conversione più avanzati a livello industriale sono due:
a) Idrogenazione: è un processo in cui la CO2 viene fatta reagire con l’idrogeno, per ottenere metanolo e altri combustibili che sono più facili da maneggiare e utilizzare rispetto all’idrogeno puro.
b) Metodo noto come Fischer-Tropsch, dove la CO2 viene convertita in combustibili sintetici o olio sintetico ad alta temperatura.

La conversione della CO2 attraverso questi processi chimici richiede grandi quantità di energia, temperature elevate (generalmente fra 200° C e 300° C), e pressioni di diverse decine di bar. Inoltre sono spesso richieste altre sostanze chimiche chiamate catalizzatori, che facilitano la reazione e che talvolta sono molto costosi.

Per questo motivo, i costi di produzione stimati di metanolo e metano da CO2 nella maggior parte delle regioni del mondo sono attualmente da 2 a 7 volte superiori a quelli delle loro controparti fossili.

Il principale fattore di costo è tipicamente l’elettricità, che rappresenta tra il 40 e il 70% dei costi di produzione, e quindi sono necessari prezzi medi molto bassi dell’elettricità affinché i carburanti derivati ​​dalla CO2 siano competitivi. Ma se la elettricità viene prodotta bruciando carbone o petrolio, siamo punto e a capo:  il bilancio netto è che viene prodotta molta più CO2 di quanta ne venga trasformata in metanolo o metano.

Riutilizzare la CO2 ispirandosi alla natura

Foto da Wikipedia.

Nasce così l’idea della foglia artificiale. Nel 2012 il professore americano Daniel Nocera ha introdotto l’idea di un dispositivo in grado di ottenere carburanti a partire dalla CO2, luce del sole e acqua, proprio come fanno le piante attraverso il processo chiamato fotosintesi.

Ma replicare un processo che la natura ha messo a punto nel corso di milioni di anni per poter riciclare la CO2 non è affatto un gioco da ragazzi: tuttavia appare come una delle soluzioni più interessanti. È per questo che la ricerca in questo ambito è animatissima, e la foglia artificiale è vista come una sorta di “sacro Graal” che molti gruppi di ricerca cercano di conquistare.

Negli ultimi anni sono stati concepiti e sviluppati diversi tipi di foglia artificiale. Tutte utilizzano il sole come fonte di energia, ma alcune convertono solamente l’acqua e l’ossigeno in carburanti (in idrogeno), mentre altre più recenti convertono anche la CO2. L’idea è quella di creare un unico dispositivo “a strati”, ciascuno dei quali avrà una ben determinata funzione. Ad esempio, recentemente il gruppo del professor Reisner a Cambridge ha creato una foglia artificiale che sfrutta, in un primo strato, un materiale che assorbe la luce solare, la quale viene poi trasferita sotto forma di energia agli strati successivi, dove la CO2 viene trasformata in CO e H2 (cioè ossido di carbonio e idrogeno).

eSCALED, un progetto europeo

Il prof. Yimin Wu, dell’Università pubblica canadese di Waterloo (Ontario).

In alternativa, attraverso l’uso di una cella solare, l’energia viene utilizzata da un dispositivo separato che converte dapprima l’acqua in ossigeno e idrogeno, quest’ultimo, per reazione con la CO2, in  carburanti ottenuti quindi grazie all’energia solare. Quest’ultima tecnologia è al centro del progetto europeo eSCALED, che ha l’obiettivo di creare una foglia artificiale attraverso l’uso di materiali porosi, direttamente ispirati alla struttura delle foglie naturali.

Un altro risultato importante è stato ottenuto dal prof. Yimin Wu, che ha messo a punto un procedimento che riesce a trasformare l’anidride carbonica (CO2) in metanolo, (formula: CH3OH) proprio come fanno le piante quando utilizzano l’energia della luce solare per trasformare la CO2 in nutrimento.

Il risultato è stato pubblicato sulla rivista Nature Energy. “La nostra è [come] una foglia artificiale perché imita il processo di fotosintesi, ma invece di produrre glucosio e ossigeno emette metanolo e ossigeno”, spiega il coordinatore della ricerca, Yimin Wu.

La chiave del processo è l’ossido rameoso,  che esiste anche in natura come cuprite: quando l’acqua viene portata a una determinata temperatura, mescolata con l’anidride carbonica e colpita da luce bianca, l’aggiunta dell’ossido rameoso innesca la reazione che porta alla produzione di metanolo e ossigeno.
Al momento la resa ed efficienza di questa trasformazione non è ancora sufficiente per applicazioni industriali, ma naturalmente si sta lavorando per migliorare il tutto.

Un gruppo di ricerca italiano

Marcella Bonchio, docente di Chimica organica all’Università di Padova.

Anche in Italia esiste un gruppo di ricerca in questo settore. Nel 2014, è stato realizzato un catalizzatore in grado di generare ossigeno dall’acqua. Si aprono così nuove prospettive per un futuro sostenibile. Si tratta di un catalizzatore artificiale di manganese, in grado di generare ossigeno dall’acqua, in presenza di luce solare. Lo studio, coordinato dalla professoressa Marcella Bonchio del dipartimento di scienze chimiche dell’università di Padova, ha permesso di riprodurre in provetta lo stadio chiave della fotosintesi naturale.

Quattro atomi di manganese, in connessione, operano all’unisono e imitano il funzionamento dell’enzima foto sintetico (detto PS2), che si trova nei cloroplasti (gli organelli verdi delle piante). Le foglie verdi riescono ad immagazzinare l’energia della luce solare per rigenerare quotidianamente ossigeno e convertire l’anidride carbonica dell’atmosfera in sostanze organiche utili (per esempio zuccheri, grassi, cellulosa, e moltissime altre sostanze).
Si tratta di un campo affascinante di ricerca, in cui sarebbe piaciuto anche a me cimentarmi, ma purtroppo ormai sono fuori dalla ricerca per ragioni di età e competenze specifiche.

In ogni caso occorre dire che siamo ancora lontani dal raggiungere un livello di sviluppo industriale di questa idea. Il lavoro di ricerca da fare è ancora tanto e gli obiettivi da conseguire sono ancora lontani, ma non impossibili.  Sicuramente l’Italia dovrebbe investire più persone e risorse su questo tipo di progetto.

Laureato in Chimica, sviluppatore software ed elettronica, da almeno 30 anni si interessa di Ricerca Psichica con particolare attenzione allo studio della Telepatia e Psicocinesi utilizzando tecniche Elettro-Encefalografiche. Autore di numerose ricerche pubblicate anche su riviste scientifiche internazionali. Direttore Scientifico di AISM (Ass. Italiana Scientifica di Metapsichica).