La foglia artificiale che separa l'idrogeno dall'ossigeno

Ricercatori del MIT stanno sviluppando un sistema integrato che sfrutta l'energia solare per ottenere carburante da stoccare per poi essere riutilizzato secondo necessità. Gli studi di una di "foglia artificiale" potrebbero portare presto alla realizzazion di un prototipo pratico, economico e commercialmente valido. Un tale sistema utilizza la luce solare, la sua energia, per produrre un carburante immagazzinabile,  l'idrogeno, invece di stoccare energia elettrica nelle batterie. Questo carburante potrà essere utilizzato su richiesta per generare energia elettrica mediante una cella a combustibile o altro dispositivo. 

Il nuovo lavoro è descritto in un articolo negli Atti della National Academy of Sciences dal professore associato di ingegneria meccanica Tonio Buonassisi, dall'ex professore del MIT Daniel Nocera (ora all'Università di Harvard),  da Mark Winkler  MIT (ora IBM) e ex studente laureato del MIT Casandra Cox (ora ad Harvard). Esso fa seguito ad una ricerca del 2011 che ha prodotto un "proof of concept" di una foglia artificiale, un piccolo dispositivo che immerso in un contenitore di acqua ed esposto alla luce del sole, produceva bolle di idrogeno e ossigeno.

 Il dispositivo combina due tecnologie: una cella standard silicio solare, che converte la luce solare in energia elettrica, e catalizzatori chimici applicati a ciascun lato della cella, che insieme creerebbero il substrato in grado di separare gli atomi di idrogeno e ossigeno dalle molecole d'acqua che li circondano. L'obiettivo è produrre un sistema autonomo, poco costoso, che potrà essere costruito con materiali abbondanti.  

Nella dimostrazione nel 2011, la foglia ha avuto basse efficienze di conversione, meno del 4,7 %, dalla luce solare al combustibile, ma una nuova analisi del team dimostra che potrebbe essere raggiungibile una efficienza del 16 % o più dovrebbe essere possibile ottenere utilizzando un solo bandgap di semiconduttori, il silicio cristallino. 

La chiave per ottenere alte efficienze nella produzione del carburante è quella di combinare nel giusto modo le celle solari e i catalizzatori.

La tensione prodotta da una cella standard silicio solare, circa 0,7 volt, è insufficiente per alimentare la scissione dell'acqua di reazione, che necessita più di 1,2 volt. Una soluzione è quella di accoppiare più celle solari in serie. Però porta ad alcune perdite sull'interfaccia tra le cellule. Una ulteriore fonte di inefficienza è l'acqua stessa - il percorso che gli elettroni devono attraversare per completare il circuito elettrico che ha resistenza agli elettroni. Quindi un altro modo per migliorare l'efficienza sarebbe quello di ridurre tale resistenza, forse riducendo la distanza che gli ioni che devono passare attraverso il liquido.  Per un sistema basato su celle al silicio convenzionali solari, il limite è di circa il 16 %, per le cellule arseniuro di gallio tale limite sale al 18 % e con alternative valide.  

Il video del MIT è questo sotto.

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Questa è ricerca. Ma vale la pena procedere su questa strada? E' una domanda che sorge spontanea. Confronti con tecnologie esistenti e funzionanti. Ammettiamo che la tecnologia della 'foglia artificiale'  riesca a raggiungere l'efficienza massima raggiungibile, come dichiarato, del 18%. E' equivalente alle celle fotovoltaiche al silicio commerciali esistenti già oggi sul mercato, già ben  diffuse  e molto più bassa, l'efficienza, rispetto alle migliori celle esistenti oggi, la metà. Poco appetibili , dunque. Ma proseguiamo. Cosa ce ne facciamo dell'idrogeno prodotto e stoccato? Servirà per produrre energia elettrica ed in questa operazione di conversione si perderà una quantità certa di energia. E' intuitivo perchè comporta  un doppio passaggio, da energia elettrica a idrogeno e da idrogeno a energia elettrica. Per la conversione avremo bisogno di una cella a combustibile, che sappiamo avere un rendimento di poco superiore al 50%. Ma non converrebbe accumulare direttamente l'energia elettrica nelle batterie? Nessun doppio passaggio. Direi di si, ottenendo una efficienza ben superiore, oltre l'80%.

Questa è ricerca. Ma vale la pena procedere con la foglia artificiale? Mmmm!

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