Catturare i gas serra con l’aiuto della luce

I ricercatori del Politecnico di Zurigo stanno sviluppando un nuovo metodo per rimuovere la CO₂ dall’atmosfera. Stanno lavorando con molecole che diventano acide quando vengono esposte alla luce. Il nuovo processo richiede molta meno energia rispetto alle tecnologie convenzionali.

Per rallentare il riscaldamento globale, dobbiamo ridurre drasticamente le emissioni di gas serra, anche rinunciando ai combustibili fossili e utilizzando tecnologie più efficienti dal punto di vista energetico. Tuttavia, la sola riduzione delle emissioni non sarà sufficiente per raggiungere gli obiettivi climatici. Inoltre, grandi quantità di gas serra CO₂ devono essere catturate dall’atmosfera per poterle stoccare in modo permanente nel sottosuolo o utilizzarle come materie prime chimiche neutrali per il clima nell’industria. Tuttavia, le tecnologie attualmente disponibili per la cattura di CO₂ richiedono molta energia e sono di conseguenza costose.

I ricercatori del Politecnico di Zurigo stanno quindi sviluppando un nuovo metodo che funziona con la luce. In futuro, il sole fornirà l’energia per la cattura di CO₂.

Interruttore acido controllato dalla luce

Gli scienziati, guidati da Maria Lukatskaya, docente di Sistemi energetici elettrochimici, sfruttano il fatto che il CO₂ è presente sotto forma di CO₂ nei liquidi acquosi acidi, ma reagisce per formare sali di acido carbonico nei liquidi acquosi alcalini. Questa reazione chimica è reversibile. L’acidità di un liquido determina se contiene CO₂ o un sale di acido carbonico.

Per influenzare l’acidità del liquido, i ricercatori hanno aggiunto molecole note come fotoacidi, che reagiscono alla luce. Quando un liquido di questo tipo viene irradiato con la luce, le molecole lo rendono acido. Al buio, le molecole tornano al loro stato originale, rendendo il liquido più alcalino.

Il metodo dei ricercatori funziona così nel dettaglio: i ricercatori separano il CO₂ dall’aria facendo passare l’aria attraverso un liquido contenente fotoacidi al buio. Essendo alcalino, il CO₂ reagisce e forma sali di acido carbonico. Non appena questi sali si sono fortemente accumulati nel liquido, i ricercatori lo irradiano con la luce. Questo lo rende acido e i sali di acido carbonico si convertono in CO₂. Come in una bottiglia di cola, il CO₂ esce dal liquido. Può essere raccolto nei serbatoi di gas. Se nel liquido non rimane quasi più CO₂, i ricercatori spengono la luce e il ciclo ricomincia.

Tutto dipende dalla miscela

In pratica, però, c’era un problema: i fotoacidi utilizzati sono instabili in acqua. "Già durante i primi esperimenti ci siamo resi conto che le molecole si erano decomposte dopo un giorno", spiega Anna de Vries, dottoranda del gruppo di Lukatskaya e prima autrice dello studio.

Lukatskaya, de Vries e i loro colleghi hanno quindi analizzato il decadimento della molecola e hanno risolto il problema facendo in modo che la reazione avvenisse in una miscela di acqua e solvente organico anziché in acqua. In esperimenti di laboratorio, gli scienziati hanno determinato il rapporto ottimale tra i due liquidi. I calcoli modellistici, eseguiti insieme ai ricercatori dell’Università Sorbona di Parigi, li hanno aiutati a spiegare scientificamente i risultati.

"Con il nostro processo, non abbiamo bisogno di riscaldare. Richiede quindi molta meno energia".

Da un lato, ciò ha permesso di mantenere stabili le molecole di fotoacido nella soluzione per quasi un mese. Dall’altro, hanno garantito che la luce possa essere utilizzata per passare da una soluzione acida a una alcalina, a seconda delle necessità. Se i ricercatori utilizzassero il loro solvente organico senza acqua, la reazione sarebbe irreversibile.

Rinunciare al riscaldamento

Anche altri metodi per la separazione di CO₂ sono processi a ciclo chiuso. Un metodo consolidato, ad esempio, funziona con filtri ai quali le molecole di CO₂ si attaccano a temperatura ambiente. Per rimuovere successivamente la CO₂ dai filtri, questi devono essere riscaldati a circa 100 gradi Celsius. Tuttavia, il riscaldamento e il raffreddamento sono ad alta intensità energetica: rappresentano la maggior parte dell’energia richiesta dal metodo dei filtri. "Con il nostro processo, invece, non abbiamo bisogno di riscaldare e raffreddare. Questo spiega perché il nostro metodo richiede molta meno energia", spiega Lukatskaya. Inoltre, il nuovo metodo dei ricercatori dell’ETH può funzionare solo con la luce del sole.

"L’aspetto interessante del nostro sistema è che possiamo passare da alcalino ad acido in pochi secondi e di nuovo ad alcalino in pochi minuti. Possiamo quindi passare dalla separazione e dal rilascio di CO₂ molto più velocemente che in un sistema a temperatura controllata", spiega de Vries.

Con questo studio, i ricercatori hanno dimostrato che i fotoacidi possono essere utilizzati in laboratorio per separare CO₂. Sulla strada della maturità del mercato, i ricercatori vorrebbero innanzitutto aumentare ulteriormente la stabilità della molecola del fotoacido. Inoltre, i ricercatori devono studiare ancora meglio l’intero processo per ottimizzarlo ulteriormente.