Produzione dell’idrogeno tramite fotosintesi

Rubrica: Energia
Titolo o argomento: I metodi alternativi per produrre idrogeno

E’ possibile sfruttare la fotosintesi per produrre idrogeno? La ricerca scientifica sta esplorando questa direzione allo scopo di utilizzare l’energia solare per scindere le molecole d’acqua in idrogeno e ossigeno. In tal modo sarebbe possibile produrre idrogeno senza impiegare gli idrocarburi (vedi l’articolo: Produzione dell’idrogeno – Metodi standard) e quindi senza vanificare i buoni propositi dell’impiego dell’idrogeno come carburante pulito.

Premesso che la fotosintesi consiste nella reazione che ha come reagenti acqua e anidride carbonica e come prodotti ossigeno e glucosio (vedi gli articoli: Fotosintesi clorofillianaFotosintesi: fase luminosa e fase oscura), e premesso che l’energia per scindere le molecole d’acqua viene dalla luce solare (utilizzata dagli enzimi presenti nei cloroplasti delle piante per convertire l’energia luminosa in energia di scissione), allora può esser logico pensare di utilizzare questo processo per produrre idrogeno, il carburante pulito per eccellenza*.

Grazie ad un catalizzatore multi-metallico nanostrutturato (vedi l’articolo: Materiali nanostrutturati) i ricercatori dell’ITM (Istituto per la Tecnologie delle Membrane), in collaborazione con il dipartimento di Scienze chimiche dell’Università di Padova ed il dipartimento di Scienze farmaceutiche dell’Università di Trieste, hanno ottenuto l’equivalente artificiale del principio attivo presente in uno dei due enzimi fotosintetici (fotosistema II) contenuti nei cloroplasti. Questo è in grado di scindere il legame che intercorre tra idrogeno e ossigeno dell’acqua ed estrarre i protoni e gli elettroni che formeranno l’idrogeno.

Il catalizzatore multi-metallico nanostrutturato opera sulla superficie di elettrodi grazie alla sua combinazione (mediante tecniche di sintesi) con nanotubi di carbonio i quali sono caratterizzati da interessanti proprietà meccaniche, ottiche ed elettroniche (vedi l’articolo: Nanotubi di carbonio). Proprietà che gli permettono di assolvere il compito di “nanofili elettrici” atti ad indirizzare il trasferimento degli elettroni dalla molecola dell’acqua ad una cella elettrochimica in cui si forma idrogeno. Il catalizzatore è in grado di lavorare per molti cicli senza dare segni di affaticamento, è solubile in acqua e attivabile dalla luce grazie a molecole organiche denominate “sensibilizzatori antenna”. Con queste premesse è sempre più vicina la possibilità di realizzare un generatore di idrogeno ad alta efficienza che utilizzi acqua ed energia solare.

*L’idrogeno, come tutte le cose, presenta indubbiamente dei lati decisamente positivi, tuttavia presenta anche degli svantaggi che non sono da sottovalutare e che avremo modo di analizzare nel dettaglio nei prossimi articoli.

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Il catalizzatore è in grado di lavorare per molti cicli senza dare segni di affaticamento, è solubile
in acqua e attivabile dalla luce grazie a molecole organiche denominate “sensibilizzatori antenna”.

Fotosintesi clorofilliana

Rubrica: Energia
Titolo o argomento: La fotosintesi clorofilliana

La fotosintesi è il processo attraverso il quale l’energia luminosa viene trasformata in energia chimica. Quest’ultima, a sua volta, viene utilizzata per la formazione di composti organici contenenti energia come i glucidi e, in particolare, il glucosio. Una parte dei glucidi viene adoperata direttamente sia per la formazione di sostanze ancora più complesse, sia per la respirazione cellulare (ossidazione dei glucidi) e quindi per liberare l’energia chimica richiesta dalla cellula stessa.

Uno degli effetti della fotosintesi consiste nella liberazione di ossigeno, un gas molecolare molto reattivo che ha favorito lo sviluppo e l’evoluzione della vita come la conosciamo oggi. Perchè avvenga il processo fotosintetico è necessaria la presenza di:

Acqua. Copre il 70,8% della superficie del pianeta. Allo stato liquido penetra direttamente nelle cellule dei vegetali acquatici mentre, nei vegetali terrestri, viene assorbita dai peli radicali e condotta, grazie ai vasi conduttori, fino alle foglie.

Anidride carbonica. E’ presente allo stato gassoso in aria e in soluzione in acqua. Viene assorbita dai vegetali tramite aperture dette “stomi”. Il carbonio presente nella molecola di anidride carbonica (CO2) viene adoperato per costruire composti organici necessari alle piante.

Luce. Si propaga nello spazio come un’onda elettromagnetica composta da radiazioni di diversa lunghezza d’onda: raggi X, raggi ultravioletti, luce visibile, raggi infrarossi e onde radio. La luce visibile (lunghezza d’onda 400-700 nanometri) è l’unico tipo di radiazione luminosa utilizzabile dalle piante verdi per i processi fotosintetici. La luce che arriva sulla superficie di una foglia viene in parte riflessa, in parte trasmessa attraverso i tessuti ed in parte assorbita dai pigmenti contenuti nelle cellule delle parti verdi della pianta.

Pigmenti (in particolar modo clorofille). L’energia luminosa viene trasformata in energia chimica grazie ai pigmenti. Si tratta di particolari sostanze colorate contenute nei cloroplasti, gli organuli dove si svolgono le reazioni della fotosintesi. Il pigmento che maggiormente contribuisce alla realizzazione del processo fotosintetico è la clorofilla (dal caratteristico colore verde) la cui molecola, piuttosto complessa, contiene un atomo di magnesio. Tale molecola è solubile in alcool, acetone e benzolo. Se una soluzione di clorofilla grezza è attraversata da luce bianca, essa assorbe parte delle radiazioni che costituiscono la luce stessa (soprattutto nel range del rosso al quale corrisponde una intensa produzione di ossigeno, meno in corrispondenza del blu).

Sebbene la fotosintesi avvenga in due fasi ben distinte (fase luminosa e fase oscura), possiamo riassumere l’intero processo con la formula generale:

6 CO2 (Anidride carbonica) + 6 H2O (Acqua) + Luce → C6H12O6 (Glucosio) + 6 O2 (Ossigeno)

Continua…
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fotosintesi_clorofilliana.jpg

L’immagine schematizza in maniera estremamente semplice e sintetica il processo della fotosintesi
indicando semplicemente i reagenti ed i prodotti.