Foglie bioniche: batteri utilizzati per convertire l’energia solare in combustibile liquido

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La fotosintesi clorofilliana è un processo conosciuto ormai da anni, che prevede l’utilizzo di energia solare, acqua e anidride carbonica per la produzione di zuccheri (nutrimento per la pianta) e la liberazione di ossigeno. Un gruppi di ricercatori ha capito come sfruttare l’energia solare, partendo dall’energia elettrica prodotta con celle fotovoltaiche con lo scopo di generare idrogeno che può essere utilizzato nelle celle a combustibile. Purtroppo l’idrogeno non può ancora essere definito un combustibile pratico per le auto o per la produzione di energia, a causa delle sue difficili applicazioni e la sua relativa instabilità con elevate temperature.

Un team di ricercatori della facoltà di Harvard University of Arts and Sciences, Harvard Medical School e dell’Istituto Wyss di Ingegneria hanno creato un sistema che utilizza batteri per convertire l’energia solare in combustibile liquido. Il loro lavoro consta in una “foglia artificiale”, che utilizza un catalizzatore per convertire acqua e luce solare in idrogeno ed ossigeno, il tutto tramite un batterio ingegnerizzato per convertire l’anidride carbonica idrogeno in isopropanolo.

I risultati sono stati pubblicati il 9 febbraio in PNAS. Gli autori sono Giuseppe Torella, un neolaureato del Dipartimento di Biologia HMS Systems, e Christopher Gagliardi, un borsista post-dottorato presso il Dipartimento di Harvard di Chimica e Biologia Chimica. Hanno partecipato al progetto anche Pamela Silver, Elliott T. e Onie H. Adams, professore di Biochimica e Biologia HMS System, nonché autore del documento. Adams ha denominato il sistema sviluppato con il nome di foglia bionica, un nome che unisce il mondo naturale e quello artificiale.

“Questa è una prova sperimentale di raccolta dell’energia solare e della sua conversione nella forma di un combustibile liquido. Quella di Dan è stato una scoperta formidabile. Utilizzare un catalizzatore per un simile scopo, ci ha permesso di svolgere la nostra missione, e non ci fermeremo qui, ma il nostro prossimo passo sarà quelli di utilizzare alcuni tipi di organismi per raccogliere energia solare e convertirla in energia utilizzabile.”

Silver e Nocera hanno cominciato a collaborare due anni fa, poco dopo Nocera si è trasferito ad Harvard al MIT. Hanno condiviso un interesse comune quello dell'”energia personalizzata”, insieme all concetto di rendere l’energia localmente, a differenza del sistema attuale, che nell’esempio di olio, possiede una produzione centralizzata e quindi inviata alle stazioni di gas. Il mondo dell’energia solare, è un mondo aperto ancora tutto da scoprire. La foglia artificiale di Nocera dipende da catalizzatori ottenuti da materiali che sono poco costosi e facilmente accessibile.

“I catalizzatori che ho fatto sono estremamente ben adattati e perfettamente compatibili con le condizioni di crescita necessari per gli organismi viventi, come un batterio. Nel loro nuovo sistema, una volta che la foglia artificiale inizia a produrre ossigeno e idrogeno, l’idrogeno viene alimentato ad un batterio chiamato Ralstonia eutropha. Un enzima prende parte al rilascio di ioni di idrogeno insieme a protoni ed elettroni, il quale dopo li combina con l’anidride carbonica per produrre più energia.”

Successivamente, sulla base delle scoperte fatte in precedenza da Anthony Sinskey, professore di microbiologia e di scienze della salute e della tecnologia al MIT, sono stati metaforicamente progettati nuovi percorsi nel batteri per generare isopropanolo.

“Il vantaggio dell’utilizzo di un catalizzatore inorganico combinato con la biologia è che si ottiene una piattaforma senza precedenti per sintesi chimiche che non si possono ottenere con i soli catalizzatori inorganici. La produzione di energia chimica dal sole è il cuore di questo lavoro, e finora abbiamo usato le piante per questo, ma stiamo sfruttando le conoscenze per fare un sacco di composti.”

Secondo Silver, gli stessi principi potrebbero essere impiegate per produrre farmaci come vitamine in piccole quantità. La prossima sfida della squadra sarà quella di aumentare la capacità della foglia bionica di convertire l’energia solare per la biomassa, ottimizzando il catalizzatore e batteri. Il loro obiettivo è al cinque per cento di efficienza, rispetto al tasso naturale dell’un per cento di efficienza per la fotosintesi, necessitata per trasformare la luce solare in biomassa.

“Siamo quasi ad un tasso di efficienza pari 1 per cento per convertire la luce solare in isopropanolo. Ci sono stati 2,6 miliardi anni di evoluzione, e Pam e io lavorando insieme un anno e mezzo abbiamo già raggiunto l’efficienza della fotosintesi.”

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