La fotosintesi artificiale potrebbe sbloccare l’economia dell’idrogeno?

Sostituire la fotosintesi naturale

Directly or indirectly, a massive amount of the energy we use has been produced through photosynthesis. This is of course true of the calories powering our bodies, but ultimately also of fossil fuels, which are just “stored” photosynthesis from plants that died eons ago.

Quindi, molti sforzi sono stati dedicati sia a migliorare la fotosintesi naturale sia a sfruttarla per nuovi usi, come la creazione di biocarburanti da alghe. Realizzarla su larga scala potrebbe rivelarsi cruciale per limitare l’aumento della concentrazione di CO2 nell’atmosfera.

Ma se potessimo imitare il processo di fotosintesi senza dover gestire organismi viventi? Dopotutto è un processo elettrochimico che non richiede necessariamente cellule viventi. Questa è la promessa della cosiddetta “fotosintesi artificiale”.

Eleverebbe la nostra capacità di catturare l’energia solare di un passo oltre i fotovoltaici, i quali possono “solo” generare elettricità dalla luce solare ma non influenzare direttamente le reazioni chimiche.

Tre ricercatori del Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) e dell’Università di Tokyo potrebbero aver avvicinato questa tecnologia di un passo alla realtà. In un articolo pubblicato su Chemical Communications con il titolo “Idrogel bioispirati: progetti polimerici verso la fotosintesi artificiale¹”.

Come funziona la fotosintesi?

In plants, photosynthesis is, roughly speaking, the process of taking in CO2 and water, using light as an energy source, and producing carbohydrates and oxygen.

Fonte: Britannica

Detto ciò, sembra che questo possa essere ridotto a una semplice equazione chimica e possa essere facilmente replicato artificialmente.

Fonte: Britannica

È un’altra storia quando si osserva come avviene. La fotosintesi vegetale è in realtà una delle macchine biochimiche più complesse, con decine di reazioni intermedie, una miriade di sottocomponenti e talvolta meccanismi molecolari non del tutto compresi che coinvolgono elaborati movimenti di elettroni.

La spiegazione sintetica di questo argomento nell’enciclopedia Britannica non è inferiore a 10.000 parole. Gli scienziati che lo studiano devono affrontare schemi piuttosto più complessi per iniziare ad avere una panoramica della fotosintesi:

Fonte: Lumen Learning

Sebbene in natura sia principalmente usata per creare carboidrati, la fotosintesi potrebbe in teoria essere impiegata per molte altre applicazioni che utilizzano la luce come fonte di energia, come ad esempio la sintesi di idrogeno dall’acqua (fotocatalisi).

Idrogel bioispirati per la produzione di idrogeno

Poiché uno dei passaggi della fotosintesi naturale è la scissione dell’acqua in ossigeno e 2 atomi di H+, sembra che replicare solo quel passaggio sia più semplice che cercare di imitare l’intero processo. È su questo che i ricercatori giapponesi hanno lavorato, usando idrogel.

Fonte: Chemical Communications

Hanno utilizzato molecole funzionali, come complessi di rutenio e nanoparticelle di platino, che lavorano insieme per simulare il processo naturale di fotosintesi e sono note come potenti fotocatalizzatori. L’innovazione sta nel modo in cui hanno organizzato queste particelle:

“Ciò che è unico qui è il modo in cui le molecole sono organizzate all’interno dell’idrogel. Creando un ambiente strutturato, abbiamo reso il processo di conversione energetica molto più efficiente.”

Reina Hagiwara – Dottoranda presso JAIST

Fonte: Chemical Communications

Efficienza migliorata

Un altro miglioramento chiave dell’uso dell’idrogel rispetto ai metodi precedenti è che impedisce alle particelle metalliche di aggregarsi, il che tende a ridurre l’efficacia del processo.

“La sfida più grande è stata capire come disporre queste molecole in modo che potessero trasferire elettroni senza intoppi. Utilizzando una rete polimerica, siamo riusciti a impedire loro di aggregarsi, un problema comune nei sistemi di fotosintesi sintetica.”

Kosuke Okeyoshi – Professore associato presso JAIST

Il risultato finale è stata una fotocatalisi molto più efficiente, che produce più idrogeno rispetto alle tecniche più vecchie.

Fonte: Chemical Communications

Gel cattura luce

Un altro fattore che migliora l’efficienza è che il gel essenzialmente intrappola la luce, aumentando la probabilità di alimentare la reazione chimica desiderata.

La realizzazione accurata del microgel è stata ottimizzata per creare diametri più piccoli della lunghezza d’onda della luce visibile. Questo ha anche permesso di integrare le particelle microscopiche di platino e rutenio nel gel in una rete organizzata.

Fonte: Chemical Communications

La chiave per la rivoluzione dell’idrogeno?

L’idrogeno, o l’ammoniaca prodotta dall’idrogeno, è stato a lungo considerato un potenziale combustibile ideale per alimentare il mondo con energia verde.

Essendo in forma chimica anziché elettrica, l’idrogeno potrebbe immagazzinare energia verde per un periodo molto più lungo e rappresentare una migliore alternativa ai combustibili fossili rispetto alle batterie in applicazioni chiave come la navigazione o le industrie pesanti.

Il problema è che la produzione di idrogeno tramite elettrolisi è un processo molto energivoro e anche piuttosto inefficiente. Ciò comporta che la maggior parte dell’energia verde utilizzata per produrre idrogeno venga sprecata, danneggiando l’economia dell’idea.

Questo problema di efficienza dell’idrogeno verde è fondamentalmente dovuto al fatto che il concetto attuale richiede troppi passaggi: luce → corrente continua → elettrolisi → generazione di idrogeno. Ogni passaggio aggiuntivo riduce l’efficienza e comporta costi aggiuntivi di capitale e risorse per le apparecchiature coinvolte.

La situazione peggiora ulteriormente se la corrente continua deve essere trasformata in corrente alternata e trasportata dalla rete dalle fattorie solari al sito di sintesi dell’idrogeno.

La fotocatalisi diretta lo trasformerebbe in “luce → generazione di idrogeno” senza passaggi intermedi.

I prossimi passi

Polimeri migliori

Questa pubblicazione dimostra che una rete attentamente organizzata di particelle fotocatalitiche può rappresentare un punto di svolta nella produzione di idrogeno. L’idrogel utilizzato qui potrebbe essere solo una pietra miliare.

I ricercatori prevedono che saranno progettate reti polimeriche più avanzate. Questo potrebbe includere il fissare i componenti catalitici non solo come piccole particelle ma come catene molecolari lunghe e sottili, aumentando la superficie di contatto e la capacità di catturare la luce. È anche possibile l’uso futuro di supramolecole naturali, come tubulina/microtubuli.

Più dell’idrogeno

Lo studio si è concentrato sulla generazione di idrogeno, ma non è affatto l’unica reazione chimica che potrebbe essere catalizzata dalla luce solare.

Ad esempio, ricercatori giapponesi di Osaka hanno trovato un modo per generare acido fumarico dal bicarbonato e dall’acido piruvico derivato da biomassa, utilizzando un’altra forma di fotosintesi artificiale.

Oltre il platino

Molti dei metodi di generazione di idrogeno si basano sulla scissione delle molecole d’acqua usando platino o altri metalli rari della stessa famiglia del rutenio. E questo potrebbe essere uno degli argomenti per investire nel platino, oltre alla crescente popolarità dei veicoli ibridi.

Allo stesso tempo, l’alto costo del platino ha spinto i ricercatori a cercare alternative più efficienti dal punto di vista dei costi.

Puoi leggere alcuni esempi in Avanzamenti nella produzione di idrogeno con elettrolisi a base di nichel” e “Generazione di idrogeno mediante scissione dell’acqua con trucioli incorporati”.

Forse questi progressi nelle alternative al platino potrebbero essere combinati con l’idrogel e la fotocatalisi discussi sopra, per creare un metodo di produzione di idrogeno a costi molto bassi usando solo metalli economici, polimeri e luce solare.

Investire nella fotosintesi artificiale e nell’idrogeno

La fotosintesi artificiale è attualmente un campo sperimentale in via di sviluppo. Tuttavia, il potenziale dell’economia dell’idrogeno è così grande da spingere molte aziende a prepararsi per investire nella possibilità.

Poiché molti metodi di produzione di idrogeno si basano sul platino, questa può essere un’opzione: è effettivamente possibile acquistare direttamente platino per investimento in forma di metallo fisico, con la maggior parte dei rivenditori di lingotti di metalli preziosi che offrono monete e barre di platino. Anche i gioielli in platino sono una possibilità.

Il patrimonio di platino fisico negoziato può anche essere accessibile tramite l’abrdn Physical Platinum Shares ETF (PPLT) e il GraniteShares Platinum Trust (PLTM).

Puoi investire in società legate all’idrogeno tramite molti broker, e qui, su securities.io, trovi le nostre raccomandazioni per i migliori broker negli Stati Uniti, Canada, Australia e Regno Unito, oltre a molti altri paesi.

Se non sei interessato a scegliere società specifiche legate all’idrogeno, puoi anche considerare ETF come il VanEck Rare Earth and Strategic Metals ETF (REMX) per l’aspetto del platino, o ETF focalizzati sull’idrogeno come il Global X Hydrogen ETF (HGEN) o il VanEck Hydrogen Economy UCITS (HDRO) che offriranno un’esposizione più diversificata per capitalizzare sul potenziale dell’idrogeno come fonte di energia.

Azienda di idrogeno

(BLDP )

Ballard è un produttore di celle a combustibile e un pioniere della tecnologia con il suo primo autobus a celle a combustibile nel 1993.

L’azienda è focalizzata sui mercati pesanti: autobus, camion, treni/tram, navi, miniere/costruzioni e energia. Sebbene gli autobus siano stati il fulcro dell’attività, l’azienda prevede che entro il 2025 i camion diventeranno un segmento commerciale importante. Prevede inoltre che l’Europa rimanga il suo mercato principale (50‑60 %), seguita dal Nord America (25 %).

Le celle a combustibile per camion dovrebbero continuare a crescere e rappresentare un mercato da 7,5 miliardi di dollari nel 2030 (da un TAM di 195 miliardi di dollari), quasi grande quanto tutte le altre applicazioni di idrogeno/celle a combustibile messe insieme.

Fonte: Ballard

A causa della maggiore potenza richiesta e della necessità di ricarica rapida, i veicoli pesanti sono stati una scelta migliore per l’idrogeno e le celle a combustibile rispetto ai veicoli più leggeri come le auto.

Riduce inoltre la necessità di cavi aeree per le ferrovie e di ricariche rapide per il trasporto a lunga distanza.

Fonte: Ballard

L’azienda non è estranea all’ammoniaca, ad esempio con un contratto recente con Amogy per fornirle celle a combustibile per la sua “piattaforma ammonia-to-power che si basa su una tecnologia unica di cracking dell’ammoniaca”.

Mentre i veicoli elettrici hanno una ragionevole possibilità di conquistare rapidamente il mercato delle auto, i veicoli più pesanti sono più difficili da decarbonizzare.

Con la sua leadership consolidata nel settore, Ballard sarebbe un principale beneficiario di una spinta politica verso un’economia dell’idrogeno.

L’attenzione alle celle a combustibile consente inoltre all’azienda di beneficiare di qualsiasi riduzione dei costi nella tecnologia di generazione dell’idrogeno, indipendentemente dal metodo, con o senza platino e con o senza fotocatalisi.

Riferimento allo studio:

^{1. Hagiwara, R., Yoshida, R., & Okeyoshi, K. (2024). Idrogel bioispirati: progetti polimerici verso la fotosintesi artificiale. Chemical Communications, 60, 13314–13324. https://doi.org/10.1039/D4CC04033C}