Le cementerie come quella mostrata qui sono una delle principali fonti di anidride carbonica, un gas serra. Tuttavia, parte di questi inquinanti può essere convertita in un nuovo tipo di combustibile. Questo sale può essere immagazzinato in sicurezza per decenni o anche più a lungo.
Questo è un altro articolo di una serie che esamina le nuove tecnologie e le azioni in grado di rallentare il cambiamento climatico, ridurne gli impatti o aiutare le comunità ad affrontare un mondo in rapida evoluzione.
Le attività che rilasciano anidride carbonica (CO2), un comune gas serra, contribuiscono al riscaldamento dell'atmosfera terrestre. L'idea di estrarre la CO2 dall'aria e immagazzinarla non è nuova. Tuttavia, è difficile da realizzare, soprattutto quando le persone se lo possono permettere. Un nuovo sistema risolve il problema dell'inquinamento da CO2 in un modo leggermente diverso: converte chimicamente il gas serra in combustibile.
Il 15 novembre, i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) di Cambridge hanno pubblicato i loro risultati rivoluzionari sulla rivista Cell Reports Physical Science.
Il loro nuovo sistema è diviso in due parti. La prima parte prevede la conversione dell'anidride carbonica presente nell'aria in una molecola chiamata formiato per produrre combustibile. Come l'anidride carbonica, il formiato contiene un atomo di carbonio e due atomi di ossigeno, oltre a un atomo di idrogeno. Il formiato contiene anche diversi altri elementi. Il nuovo studio ha utilizzato il sale di formiato, che deriva dal sodio o dal potassio.
La maggior parte delle celle a combustibile funziona a idrogeno, un gas infiammabile che richiede gasdotti e serbatoi pressurizzati per il trasporto. Tuttavia, le celle a combustibile possono funzionare anche a formiato. Il formiato ha un contenuto energetico paragonabile a quello dell'idrogeno, secondo Li Ju, uno scienziato dei materiali che ha guidato lo sviluppo del nuovo sistema. Il formiato presenta alcuni vantaggi rispetto all'idrogeno, ha osservato Li Ju. È più sicuro e non richiede stoccaggio ad alta pressione.
I ricercatori del MIT hanno creato una cella a combustibile per testare il formiato, che producono a partire dall'anidride carbonica. Innanzitutto, hanno mescolato il sale con acqua. La miscela è stata poi introdotta in una cella a combustibile. All'interno della cella, il formiato ha rilasciato elettroni in una reazione chimica. Questi elettroni sono fluiti dall'elettrodo negativo della cella a combustibile all'elettrodo positivo, completando un circuito elettrico. Questo flusso di elettroni – una corrente elettrica – è stato presente per 200 ore durante l'esperimento.
Zhen Zhang, uno scienziato dei materiali che lavora con Li al MIT, è ottimista sul fatto che il suo team sarà in grado di estendere la nuova tecnologia su larga scala entro un decennio.
Il team di ricerca del MIT ha utilizzato un metodo chimico per convertire l'anidride carbonica in un ingrediente chiave per la produzione di carburante. Innanzitutto, l'hanno esposta a una soluzione altamente alcalina. Hanno scelto l'idrossido di sodio (NaOH), comunemente noto come soda caustica. Questo innesca una reazione chimica che produce bicarbonato di sodio (NaHCO3), meglio conosciuto come bicarbonato di sodio.
Poi hanno acceso l'alimentazione. La corrente elettrica ha innescato una nuova reazione chimica che ha scisso ogni atomo di ossigeno nella molecola di bicarbonato di sodio, lasciando dietro di sé formiato di sodio (NaCHO2). Il loro sistema ha convertito quasi tutto il carbonio presente nella CO2 — oltre il 96% — in questo sale.
L'energia necessaria per rimuovere l'ossigeno è immagazzinata nei legami chimici del formiato. Il professor Li ha osservato che il formiato può immagazzinare questa energia per decenni senza perdere energia potenziale. Successivamente, genera elettricità quando attraversa una cella a combustibile. Se l'elettricità utilizzata per produrre formiato proviene da energia solare, eolica o idroelettrica, l'elettricità generata dalla cella a combustibile sarà una fonte di energia pulita.
Per ampliare la produzione della nuova tecnologia, ha affermato Lee, "dobbiamo trovare ricche risorse geologiche di soda caustica". Ha studiato un tipo di roccia chiamata basalto alcalino. Quando mescolate con acqua, queste rocce si trasformano in soda caustica.
Farzan Kazemifar è un ingegnere presso la San Jose State University in California. La sua ricerca si concentra sullo stoccaggio dell'anidride carbonica in formazioni saline sotterranee. Rimuovere l'anidride carbonica dall'aria è sempre stato difficile e quindi costoso, afferma. Pertanto, è redditizio convertire la CO2 in prodotti utilizzabili come il formiato. Il costo del prodotto può compensare il costo di produzione.
Sono state condotte numerose ricerche sulla cattura dell'anidride carbonica dall'aria. Ad esempio, un team di scienziati della Lehigh University ha recentemente descritto un altro metodo per filtrare l'anidride carbonica dall'aria e convertirla in bicarbonato di sodio. Altri gruppi di ricerca stanno immagazzinando la CO2 in rocce speciali, convertendola in carbonio solido che può poi essere trasformato in etanolo, un combustibile alcolico. La maggior parte di questi progetti è su piccola scala e non ha ancora avuto un impatto significativo sulla riduzione degli elevati livelli di anidride carbonica nell'aria.
Questa immagine mostra una casa che funziona a anidride carbonica. Il dispositivo qui raffigurato converte l'anidride carbonica (le molecole nelle bolle rosse e bianche) in un sale chiamato formiato (le bolle blu, rosse, bianche e nere). Questo sale può quindi essere utilizzato in una cella a combustibile per generare elettricità.
Kazemifar ha affermato che la nostra migliore opzione è "ridurre innanzitutto le emissioni di gas serra". Un modo per farlo è sostituire i combustibili fossili con fonti di energia rinnovabile come l'eolico o il solare. Questo fa parte di una transizione che gli scienziati chiamano "decarbonizzazione". Ha aggiunto, tuttavia, che fermare il cambiamento climatico richiederà un approccio multiforme. Questa nuova tecnologia è necessaria per catturare il carbonio in aree difficili da decarbonizzare, ha affermato. Si pensi, ad esempio, alle acciaierie e alle cementerie.
Il team del MIT vede anche dei vantaggi nella combinazione della sua nuova tecnologia con l'energia solare ed eolica. Le batterie tradizionali sono progettate per immagazzinare energia per settimane. Immagazzinare la luce solare estiva per l'inverno o anche più a lungo richiede un approccio diverso. "Con il combustibile a base di formiato", ha affermato Lee, "non si è più limitati nemmeno all'immagazzinamento stagionale. Potrebbe essere un'opzione generazionale".
Potrebbe non brillare come l'oro, ma "posso lasciare 200 tonnellate... di formiato ai miei figli e alle mie figlie", ha detto Lee, "in eredità".
Alcalino: aggettivo che descrive una sostanza chimica che forma ioni idrossido (OH-) in soluzione. Queste soluzioni sono anche dette alcaline (in contrapposizione ad acide) e hanno un pH superiore a 7.
Acquifero: una formazione rocciosa in grado di contenere riserve idriche sotterranee. Il termine si applica anche ai bacini sotterranei.
Basalto: una roccia vulcanica nera, solitamente molto densa (a meno che un'eruzione vulcanica non abbia lasciato al suo interno grandi sacche di gas).
Legame: (in chimica) una connessione semipermanente tra atomi (o gruppi di atomi) in una molecola. Si forma grazie alle forze attrattive tra gli atomi coinvolti. Una volta formati i legami, gli atomi funzionano come un'unità. Per separare gli atomi costituenti, è necessario fornire energia alle molecole sotto forma di calore o altre radiazioni.
Carbonio: un elemento chimico che costituisce la base fisica di tutta la vita sulla Terra. Il carbonio esiste allo stato libero sotto forma di grafite e diamante. È un componente importante del carbone, del calcare e del petrolio, ed è in grado di autoaggregarsi chimicamente per formare un'ampia varietà di molecole di valore chimico, biologico e commerciale. (Nella ricerca sul clima) Il termine carbonio viene talvolta usato quasi indistintamente con anidride carbonica per riferirsi al potenziale impatto che un'azione, un prodotto, una politica o un processo possono avere sul riscaldamento a lungo termine dell'atmosfera.
Anidride carbonica (o CO2): è un gas incolore e inodore prodotto da tutti gli animali quando l'ossigeno che respirano reagisce con il cibo ricco di carbonio che mangiano. L'anidride carbonica viene rilasciata anche quando la materia organica, compresi i combustibili fossili come petrolio o gas naturale, viene bruciata. L'anidride carbonica è un gas serra che intrappola il calore nell'atmosfera terrestre. Le piante convertono l'anidride carbonica in ossigeno attraverso la fotosintesi e utilizzano questo processo per produrre il proprio nutrimento.
Cemento: un legante usato per tenere insieme due materiali, facendoli indurire e diventare solidi, oppure una colla densa usata per tenere insieme due materiali. (Edilizia) Un materiale finemente macinato usato per legare insieme sabbia o roccia frantumata per formare il calcestruzzo. Il cemento è solitamente prodotto in polvere. Ma una volta bagnato, si trasforma in una poltiglia fangosa che si indurisce quando si asciuga.
Sostanza chimica: una sostanza composta da due o più atomi combinati (legati) in proporzioni e struttura fisse. Ad esempio, l'acqua è una sostanza chimica composta da due atomi di idrogeno legati a un atomo di ossigeno. La sua formula chimica è H2O. "Chimico" può essere usato anche come aggettivo per descrivere le proprietà di una sostanza che derivano da varie reazioni tra diversi composti.
Legame chimico: una forza di attrazione tra atomi sufficientemente forte da far sì che gli elementi legati funzionino come un'unità. Alcune attrazioni sono deboli, altre forti. Tutti i legami sembrano connettere gli atomi attraverso la condivisione (o il tentativo di condivisione) di elettroni.
Reazione chimica: un processo che comporta un riarrangiamento delle molecole o delle strutture di una sostanza, anziché un cambiamento di stato fisico (ad esempio, da solido a gassoso).
Chimica: la branca della scienza che studia la composizione, la struttura, le proprietà e le interazioni delle sostanze. Gli scienziati usano questa conoscenza per studiare sostanze sconosciute, per riprodurre sostanze utili in grandi quantità o per progettare e creare nuove sostanze utili. (di composti chimici) La chimica si riferisce anche alla formula di un composto, al metodo con cui viene preparato o ad alcune delle sue proprietà. Le persone che lavorano in questo campo sono chiamate chimici. (nelle scienze sociali) la capacità delle persone di cooperare, andare d'accordo e godere della reciproca compagnia.
Cambiamento climatico: un cambiamento significativo e a lungo termine del clima terrestre. Può verificarsi naturalmente o essere il risultato di attività umane, tra cui la combustione di combustibili fossili e la deforestazione.
Decarbonizzazione: si riferisce alla transizione intenzionale verso l'abbandono di tecnologie, attività e fonti energetiche inquinanti che emettono nell'atmosfera gas serra a base di carbonio, come l'anidride carbonica e il metano. L'obiettivo è ridurre la quantità di gas serra che contribuiscono al cambiamento climatico.
Elettricità: il flusso di carica elettrica, generalmente derivante dal movimento di particelle cariche negativamente chiamate elettroni.
Elettrone: particella con carica negativa che solitamente orbita nella regione più esterna di un atomo; è anche il portatore di elettricità nei solidi.
Ingegnere: una persona che utilizza la scienza e la matematica per risolvere problemi. Usato come verbo, il termine "ingegnere" si riferisce alla progettazione di un dispositivo, un materiale o un processo per risolvere un problema o soddisfare un'esigenza non ancora soddisfatta.
Etanolo: un alcol, chiamato anche alcol etilico, che costituisce la base di bevande alcoliche come birra, vino e superalcolici. Viene inoltre utilizzato come solvente e combustibile (ad esempio, spesso miscelato con la benzina).
Filtro: (sost.) Qualcosa che permette il passaggio di alcuni materiali e di altri, a seconda delle loro dimensioni o di altre caratteristiche. (verbo) Il processo di selezione di determinate sostanze in base a proprietà quali dimensioni, densità, carica, ecc. (in fisica) Uno schermo, una piastra o uno strato di una sostanza che assorbe la luce o altre radiazioni o impedisce selettivamente il passaggio di alcuni dei suoi componenti.
Formiato: termine generico per i sali o gli esteri dell'acido formico, una forma ossidata di un acido grasso. (Un estere è un composto a base di carbonio formato dalla sostituzione degli atomi di idrogeno di alcuni acidi con determinati tipi di gruppi organici. Molti grassi e oli essenziali sono esteri di acidi grassi presenti in natura.)
Combustibili fossili: qualsiasi combustibile, come carbone, petrolio (greggio) o gas naturale, che si è formato nel corso di milioni di anni all'interno della Terra dalla decomposizione di resti di batteri, piante o animali.
Combustibile: qualsiasi sostanza che rilascia energia attraverso una reazione chimica o nucleare controllata. I combustibili fossili (carbone, gas naturale e petrolio) sono combustibili comuni che rilasciano energia attraverso reazioni chimiche quando riscaldati (di solito fino al punto di combustione).
Cella a combustibile: un dispositivo che converte l'energia chimica in energia elettrica. Il combustibile più comune è l'idrogeno, il cui unico sottoprodotto è il vapore acqueo.
Geologia: aggettivo che descrive tutto ciò che riguarda la struttura fisica della Terra, i suoi materiali, la sua storia e i processi che avvengono su di essa. Chi lavora in questo campo si chiama geologi.
Riscaldamento globale: un graduale aumento della temperatura complessiva dell'atmosfera terrestre dovuto all'effetto serra. Questo effetto è causato dall'aumento dei livelli di anidride carbonica, clorofluorocarburi e altri gas presenti nell'aria, molti dei quali sono emessi dalle attività umane.
Idrogeno: l'elemento più leggero dell'universo. Allo stato gassoso, è incolore, inodore ed estremamente infiammabile. È un componente di molti combustibili, grassi e delle sostanze chimiche che costituiscono i tessuti viventi. È composto da un protone (il nucleo) e da un elettrone che gli orbita attorno.
Innovazione: (v. innovare; agg. innovare) Un adeguamento o un miglioramento di un'idea, un processo o un prodotto esistente per renderlo più nuovo, più intelligente, più efficiente o più utile.
Soda caustica: nome generico della soluzione di idrossido di sodio (NaOH). La soda caustica viene spesso miscelata con oli vegetali o grassi animali e altri ingredienti per produrre sapone solido.
Scienziato dei materiali: un ricercatore che studia la relazione tra la struttura atomica e molecolare di un materiale e le sue proprietà complessive. Gli scienziati dei materiali possono sviluppare nuovi materiali o analizzare quelli esistenti. L'analisi delle proprietà complessive di un materiale, come densità, resistenza e punto di fusione, può aiutare ingegneri e altri ricercatori a selezionare i materiali più adatti per nuove applicazioni.
Molecola: un gruppo di atomi elettricamente neutri che rappresenta la quantità minima possibile di un composto chimico. Le molecole possono essere costituite da un solo tipo di atomo o da diversi tipi di atomi. Ad esempio, l'ossigeno presente nell'aria è formato da due atomi di ossigeno (O2), e l'acqua è composta da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno (H2O).
Inquinante: una sostanza che contamina qualcosa, come l'aria, l'acqua, le persone o il cibo. Alcuni inquinanti sono sostanze chimiche, come i pesticidi. Altri inquinanti possono essere radiazioni, tra cui calore o luce eccessivi. Anche le erbacce e altre specie invasive possono essere considerate una forma di biofouling.
Potente: Aggettivo che si riferisce a qualcosa di molto forte o potente (come un germe, un veleno, una medicina o un acido).
Rinnovabile: aggettivo che si riferisce a una risorsa che può essere reintegrata all'infinito (come l'acqua, le piante verdi, la luce solare e il vento). Questo si contrappone alle risorse non rinnovabili, che hanno una disponibilità limitata e possono effettivamente esaurirsi. Le risorse non rinnovabili includono il petrolio (e altri combustibili fossili) o elementi e minerali relativamente rari.