Direttamente o indirettamente, quasi tutta la vita sulla Terra è alimentata dal sole.
Le piante convertono la luce solare in composti organici che, se consumati da altre forme di vita, trasmettono l'energia solare al resto della rete alimentare. Come esseri umani, accediamo a questa energia immagazzinata attraverso la digestione e bruciando piante crude o trasformate. Il petrolio è solo materia organica morta da tempo trasformata da forze geologiche e i biocarburanti di prima generazione vengono sgranati da mais, canna da zucchero e olio vegetale [fonte:The New York Times].
Sfortunatamente, il petrolio è pieno di problemi ambientali e di sicurezza quanto lo è l'energia, e i biocarburanti di prima generazione, che vengono raffinati bruciando altri combustibili, non raggiungono la neutralità del carbonio. Peggio ancora, poiché le colture alimentari globali perdono letteralmente terreno a causa della produzione di biocarburanti, la crescente scarsità fa aumentare i prezzi dei generi alimentari, la fame e l'instabilità politica [fonte:The New York Times].
Ma se ci fosse un modo per avere il nostro riso e bruciarlo anche noi? E se potessimo ricavare energia dai raccolti senza ucciderli, o generare energia utilizzando piante e terreni non necessari per il cibo, il tutto grazie al potere dei microbi? Questa è l'idea alla base delle celle a combustibile microbiche vegetali (PMFC ).
Quando si tratta di far funzionare la vita, le piante potrebbero ottenere tutta la buona stampa, ma è il microbo tanto diffamato che tiene insieme la catena alimentare. Nello specifico, i cianobatteri contribuiscono a formarne la base; i microbi intestinali ci aiutano a digerire il cibo da esso; e i batteri del suolo trasformano i rifiuti risultanti in sostanze nutritive che le piante possono utilizzare.
Per decenni, i ricercatori hanno cercato possibili modi per trarre energia da questo metabolismo microbico. Negli anni '70, i loro sforzi iniziarono a dare i loro frutti sotto forma di celle a combustibile microbiche (MFC ) -- dispositivi che generano elettricità direttamente da una reazione chimica catalizzata da microbi [fonte:Rabaey e Verstraete]. Gli MFC offrono opzioni rinnovabili a bassa potenza per il monitoraggio degli inquinanti, la pulizia e la desalinizzazione dell'acqua e l'alimentazione di sensori e strumenti remoti.
C'è un problema, ovviamente:gli MFC funzionano solo finché hanno qualcosa su cui sgranocchiare -- in genere, materiale organico nelle acque reflue [fonti:Deng, Chen e Zhao; ONR]. I ricercatori si sono resi conto che potevano consegnare quei rifiuti - un infinito buffet alimentato da energia solare - direttamente ai microbi del suolo dalle piante stesse, e il seme di un'idea è stato piantato.
Nel 2008, i ricercatori stavano pubblicando articoli che annunciavano il primo di questi MFC alimentati da impianti e il potenziale è diventato sempre più chiaro [fonti:Deng, Chen e Zhao; De Schamphelaire et al.; Strike et al.]. Utilizzando questa tecnologia scalabile, i villaggi e le fattorie nei paesi in via di sviluppo potrebbero diventare autosufficienti, mentre le nazioni industrializzate potrebbero ridurre le loro impronte di serre attingendo energia da zone umide, serre o bioraffinerie [fonti:Doty; PlantPower].
I PMFC, in breve, sono una versione più nuova e più ecologica delle "centrali elettriche", forse.
Contenuti
Il suolo, a quanto pare, è pieno di potenziale (elettrico) non sfruttato.
Mentre le piante verdi si occupano della fotosintesi, convertendo l'energia dalla luce solare in energia chimica, quindi immagazzinandola in zuccheri come il glucosio, trasudano prodotti di scarto attraverso le loro radici in uno strato di terreno noto come rizosfera . Lì, i batteri si nutrono delle cellule escrete delle piante, insieme alle proteine e agli zuccheri rilasciati dalle loro radici [fonte:Ingham].
In termini di PMFC, ciò significa che, finché la pianta vive, i batteri hanno un buono pasto e la cella a combustibile genera energia. La prima legge della termodinamica, che alcuni traducono come "non esiste un pranzo gratis", si applica ancora perché il sistema riceve energia da una fonte esterna, ovvero il sole.
Ma come diavolo fanno i microbi a generare elettricità semplicemente consumando e metabolizzando il cibo? Come con l'amore o la cottura, tutto si riduce alla chimica.
In generale, gli MFC funzionano separando due metà di un processo elettrobiochimico (metabolismo) e collegandole insieme in un circuito elettrico. Per capire come, analizziamo nel dettaglio il metabolismo cellulare.
Nell'esempio da manuale che segue, glucosio e ossigeno reagiscono per produrre anidride carbonica e acqua [fonti:Bennetto; Rabaey e Verstraete].
C6 H12 O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2 O
Ma all'interno delle singole cellule - o organismi unicellulari come i batteri - questa ampia affermazione sorvola su una serie di passaggi intermedi. Alcuni di questi passaggi rilasciano temporaneamente elettroni che, come tutti sappiamo, sono utili per generare elettricità. Quindi, invece di glucosio e ossigeno che reagiscono per produrre anidride carbonica e acqua, qui glucosio e acqua producono anidride carbonica, protoni (ioni di idrogeno caricati positivamente (H + )) ed elettroni (e - ) [fonti:Bennetto; Rabaey e Verstraete].
C6 H12 O6 + 6H2 O → 6CO2 + 24H + + 24e -
In un PMFC, questa metà del processo definisce una metà della cella a combustibile. Questa porzione si trova nella rizosfera con le radici delle piante, i rifiuti e i batteri. L'altra metà della cellula si trova in acqua ricca di ossigeno sul lato opposto di una membrana permeabile. In ambiente naturale, questa membrana è formata dal confine suolo-acqua [fonti:Bennetto; Rabaey e Verstraete; Deng, Chen e Zhao].
Nella seconda metà della cellula, i protoni e gli elettroni liberi si combinano con l'ossigeno per produrre acqua, in questo modo:
6O2 + 24H + + 24e - → 12H2 O
I protoni raggiungono questa seconda metà scorrendo attraverso la membrana a scambio ionico, creando una carica netta positiva e un potenziale elettrico che induce gli elettroni a fluire lungo il filo di collegamento esterno. Ecco! Corrente elettrica [fonti:Bennetto; Rabaey e Verstraete; Deng, Chen e Zhao].
Ma quanto?
Sradicare potenziali problemiLa determinazione dell'impatto ambientale delle PMFC richiederà ulteriori ricerche in una varietà di aree, compreso il modo in cui gli elettrodi influiscono sull'ambiente delle radici. Potrebbero potenzialmente ridurre la disponibilità di nutrienti, ad esempio, o ridurre la capacità di una pianta di combattere le infezioni [fonte:Deng, Chen e Zhao].
Inoltre, poiché funzionano meglio in alcune delle nostre terre più protette, zone umide e coltivate, le PMFC potrebbero dover affrontare un duro processo di approvazione ambientale. D'altra parte, gli MFC delle acque reflue possono ossidare l'ammonio e ridurre i nitrati, quindi è possibile che gli MFC di origine vegetale possano bilanciare il rischio proteggendo le zone umide dal deflusso agricolo [fonti:Deng, Chen e Zhao; Mugnaio; tweed].
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A partire dal 2012, i PMFC non producono molta energia e funzionano solo in ambienti acquatici, con piante come la mannagrass di canna (Glyceria maxima ), riso, cordgrass (Spartina anglica ) e canna gigante (Arundo donax ) [fonti:Deng, Chen e Zhao; PlantPower]. Se ti imbattessi in un campo di PMFC, come la toppa sul tetto dell'Istituto olandese di ecologia a Wageningen, non sapresti mai che si trattava di qualcosa di più di una raccolta di piante, ad eccezione dei cavi colorati che fuoriescono dal terreno [fonte:Williams].
Tuttavia, le loro potenziali applicazioni nell'affrontare altri problemi di sostenibilità globale, tra cui la pressione esercitata dai biocarburanti su un sistema di approvvigionamento alimentare globale già sovraccaricato, continuano a ispirare i ricercatori e almeno un'impresa esplorativa, il progetto PlantPower da 5,23 milioni di euro [fonti:Deng , Chen e Zhao; Potenza delle piante; Tenenbaum].
Poiché i PMFC funzionano già sulle piante acquatiche, gli agricoltori e i villaggi non devono scaricare i loro raccolti di riso a base d'acqua per implementarli. Su scala più ampia, le comunità potrebbero istituire PMFC nelle zone umide o in aree di scarsa qualità del suolo, evitando la competizione terrestre tra energia e produzione alimentare [fonte:Strik et al.]. Ambienti fabbricati come le serre potrebbero produrre energia durante tutto l'anno, ma la produzione di elettricità dei terreni agricoli dipenderebbe dalla stagione di crescita [fonte:PlantPower].
La produzione di più energia a livello locale potrebbe ridurre le emissioni di carbonio riducendo la domanda per il trasporto di carburante, di per sé uno dei principali contributori di gas serra. Ma c'è un problema, ed è piuttosto significativo:anche se i PMFC diventano il più efficienti possibile, devono comunque affrontare un collo di bottiglia:l'efficienza fotosintetica e la produzione di rifiuti dell'impianto stesso.
Le piante sono sorprendentemente inefficienti nel trasformare l'energia solare in biomassa. Questo limite di conversione deriva in parte da fattori quantistici che influenzano la fotosintesi e in parte dal fatto che i cloroplasti assorbono la luce solo nella banda 400-700 nanometri, che rappresenta circa il 45% della radiazione solare in entrata [fonte:Miyamoto].
I due tipi più diffusi di piante fotosintetizzanti sulla Terra sono conosciuti come C3 e C4, così chiamati per il numero di atomi di carbonio nelle prime molecole che formano durante CO2 ripartizione [fonti:Seegren, Cowcer e Romeo; SERC]. Il limite teorico di conversione per le piante C3, che costituiscono il 95 percento delle piante sulla Terra, compresi gli alberi, supera solo il 4,6 percento, mentre le piante C4 come la canna da zucchero e il mais si avvicinano al 6 percento. In pratica, tuttavia, ciascuno di questi tipi di piante raggiunge generalmente solo il 70 per cento di questi valori [fonti:Deng, Chen e Zhao; Miyamoto; SERC].
Con i PMFC, come con qualsiasi macchina, si perde energia nell'esecuzione dei lavori o, in questo caso, nella crescita dell'impianto. Della biomassa costruita dalla fotosintesi, solo il 20 percento raggiunge la rizosfera e solo il 30 percento diventa disponibile per i microbi come cibo [fonte:Deng, Chen e Zhao].
I PMFC recuperano circa il 9% dell'energia dal metabolismo microbico risultante sotto forma di elettricità. Complessivamente, ciò equivale a un tasso di conversione solare-elettrico PMFC che si avvicina allo 0,017 percento per gli impianti C3 ((70 percento del tasso di conversione del 4,6 percento) x 20 percento x 30 percento x 9 percento) e 0,022 percento per gli impianti C4 (0,70 x 6,0 x 0,20 x 0,30 x 0,09) [fonti:Deng, Chen e Zhao; Miyamoto; SERC].
In effetti, alcuni ricercatori ritengono che queste ipotesi possano sottostimare il potenziale dei PMFC, che possono solo essere una buona notizia per i consumatori.
È idromaticoL'interesse per le celle a combustibile, che consentono alle auto di coprire più miglia rispetto alla sola batteria e sono più facilmente implementabili nei veicoli di grandi dimensioni, ha continuato a crescere a partire da novembre 2012 [fonte:Ko]. Ma, mentre il carburante a idrogeno potrebbe sembrare verdastro, la sua produzione richiede un sacco di elettricità, il che lo rende tutt'altro che a emissioni zero [fonte:Wüst]. I PMFC, che producono naturalmente idrogeno gassoso, potrebbero offrire speranza per una produzione di carburante a idrogeno veramente verde.
Come ogni nuova tecnologia, i PMFC devono affrontare una serie di sfide; per esempio, hanno bisogno di un substrato che favorisca contemporaneamente la crescita delle piante e il trasferimento di energia, due obiettivi che a volte sono in contrasto. Le differenze di pH tra le due metà cellulari, ad esempio, possono causare la perdita di potenziale elettrico, poiché gli ioni "cortocciano" attraverso la membrana per raggiungere l'equilibrio chimico [fonte:Helder et al.].
Se gli ingegneri riescono a risolvere i nodi, tuttavia, i PMFC potrebbero avere un potenziale vasto e variegato. Tutto si riduce a quanta energia possono produrre. Secondo una stima del 2008, quel numero magico arriva a circa 21 gigajoule (5.800 kilowattora) per ettaro (2,5 acri) ogni anno [fonte:Strik et al.]. Ricerche più recenti hanno stimato che il numero potrebbe arrivare fino a 1.000 gigajoule per ettaro [fonte:Strik et al.]. Alcuni altri fatti per una prospettiva [fonti:BP; Commissione Europea]:
Sulla base di questi numeri, se l'1% dei terreni agricoli statunitensi ed europei fosse convertito in PMFC, si otterrebbe una stima back-of-the-envelope di 34,5 milioni di gigajoule (9,58 miliardi di kilowattora) all'anno per l'Europa e 75,6 milioni di gigajoule (20,9 miliardi di kilowattora) all'anno per l'America.
In confronto, i 27 paesi dell'Unione Europea nel 2010 hanno consumato 1.759 milioni di tonnellate equivalenti di petrolio (TEP) di energia, o 74,2 miliardi di gigajoule (20,5 trilioni di kilowattora). Il TEP è un'unità standardizzata di confronto internazionale, pari all'energia contenuta in una tonnellata di petrolio [fonti:Commissione Europea; Università.
In questo scenario semplificato, i PMFC forniscono una goccia in un secchio di energia molto grande, ma è una goccia non inquinante e una goccia generata da paesaggi lussureggianti invece di centrali elettriche che eruttano fumo o parchi eolici schiaccianti uccelli.
Inoltre, è solo l'inizio. I ricercatori stanno già lavorando su batteri che divorano rifiuti più efficienti e, tra il 2008 e il 2012, i progressi nella chimica dei substrati hanno più che raddoppiato la produzione elettrica in alcuni PMFC. PlantPower sostiene che, una volta perfezionati, i PMFC potrebbero fornire fino al 20% dell'energia primaria europea -- ovvero energia derivata da risorse naturali non trasformate [fonte:Øvergaard; PlantPower].
Le PMFC devono diventare più economiche e più efficienti prima di poter godere di un'ampia attuazione, ma i progressi sono in corso. Già molti MFC risparmiano denaro producendo elettrodi da tessuto di carbonio altamente conduttivo anziché metalli preziosi o costoso feltro di grafite [fonti:Deng, Chen e Zhao; Tweed]. A partire dal 2012, l'utilizzo di una configurazione di un metro cubo in condizioni di laboratorio costava $ 70.
Se si considera il loro potenziale di rimozione degli inquinanti e di riduzione dei gas serra, chi lo sa? I PMFC potrebbero raccogliere abbastanza interesse da parte di investitori e governo per diventare le centrali elettriche del futuro o piantare il seme per un'idea ancora migliore [fonte:Deng, Chen e Zhao].
Se ci pensi, costruire una batteria in grado di funzionare grazie ai processi digestivi batterici ci avvicina di un passo ai cyborg e alle macchine autoalimentate. Il corpo umano fa affidamento sui batteri intestinali per convertire il cibo in energia; se potessimo attingere a questo processo per potenziare le celle a combustibile, potremmo anche alimentare impianti corporei, come i pacemaker.
I ricercatori della Harvard Medical School e del Massachusetts Institute of Technology hanno già offuscato questa linea, costruendo un chip cerebrale alimentato dal glucosio, che raccoglie dal liquido cerebrospinale ricircolato [fonte:Rapoport, Kedzierski e Sarpeshkar]. I cybercervelli possono essere molto indietro? (Beh, sì, probabilmente).
Immagina:potremmo costruire macchine che pascolano! OK, potrebbe non sembrare sexy come i cannoni a raggi e le navi a razzo, ma tali macchine potrebbero rimanere attive sul campo indefinitamente senza bisogno di una ricarica o di nuove batterie. Una raccolta di MFC potrebbe formare un intestino improvvisato, ricavando elettricità dal glucosio vegetale.
Se qualcuno dovesse perseguire questa idea, spero che utilizzeranno PMFC. Immagino branchi di robot in ceramica bianca ricoperti di Salvia hispanica , e faccio la domanda:
Gli androidi sognano i Chia Pets elettrici?
