Quasi ogni essere vivente su questo pianeta funziona grazie all’energia solare. Il meccanismo è semplice: le piante trasformano la luce solare in energia chimica. Gli animali mangiano le piante. Gli esseri umani mangiano gli animali o le piante. Bruciamo legno, carbone o colture trasformate per ottenere calore. Il petrolio è semplicemente un’antica biomassa fossilizzata nel corso di milioni di anni. Anche i biocarburanti di prima generazione provengono da mais, canna da zucchero o olio vegetale. È un circuito chiuso.
Il ciclo è rotto.
Il petrolio è complicato. Crea instabilità geopolitica. Inquina. I biocarburanti di prima generazione non sono carbon neutral. Richiedono la combustione di altri combustibili per raffinarsi. Il problema più grande è l’uso del territorio. Quando trasformi le colture alimentari in carburante, le scorte diminuiscono. I prezzi aumentano. La fame aumenta. Segue tensione politica.
Esiste un modo migliore?
I ricercatori stanno guardando da una prospettiva diversa. Vogliono energia dai raccolti senza ucciderli. Vogliono utilizzare terreni non adatti al cibo. Vogliono che i microbi facciano il lavoro pesante. Questo è il concetto alla base delle celle a combustibile microbiche vegetali.
Le piante sono al centro dell’attenzione. La colpa è dei microbi. Entrambi sono essenziali. I cianobatteri costituiscono la base della catena alimentare. I microbi intestinali ci aiutano a digerire. I batteri del suolo riciclano i rifiuti trasformandoli in nutrienti per le piante. Per decenni, gli scienziati hanno studiato questo metabolismo microbico. Volevano raccogliere l’energia.
Negli anni ’70 avevano un prototipo.
Questi primi dispositivi furono chiamati celle a combustibile microbiche. Generano elettricità attraverso reazioni chimiche guidate dai microbi. L’uscita è a bassa potenza. Ma è rinnovabile. Gli MFC possono monitorare gli inquinanti. Possono aiutare a pulire l’acqua. Possono dissalare. Possono alimentare sensori remoti.
C’è una limitazione.
Le MFC hanno bisogno di cibo. Di solito, quel cibo è un rifiuto organico nelle acque reflue. I ricercatori hanno realizzato qualcosa di semplice. Le piante espellono gli zuccheri nel terreno. Questo è uno spreco dal punto di vista della pianta. È carburante per i microbi del suolo. È un buffet infinito, alimentato a energia solare. Perché raccogliere i rifiuti quando puoi semplicemente collegarti alla radice vivente?
L’idea prese piede.
Nel 2008 iniziarono ad apparire i documenti. Furono annunciati i primi MFC alimentati da impianti. Il potenziale era chiaro. La tecnologia è scalabile. Nelle regioni in via di sviluppo, i villaggi potrebbero diventare autosufficienti. Le aziende agricole potrebbero autoalimentarsi. Nei paesi industrializzati, potremmo ridurre la nostra impronta di carbonio. Potremmo trarre energia dalle zone umide. Potremmo usare le serre. Potremmo integrarli nelle bioraffinerie.
Sembra troppo bello per essere vero.
Ma è solo una nuova svolta su una vecchia idea. Queste sono celle a combustibile microbiche vegetali. Sono verdi. Sono silenziosi. Hanno appena iniziato.
La chimica del potere vivente
Potresti pensare che l’elettricità abbia bisogno di cavi e reti, ma la natura ha gestito le sue microcentrali elettriche sotto i nostri piedi per secoli. Non è magia. È solo biologia con una svolta elettrica.
Le piante sono macchine attive per la fotosintesi. Prendono la luce solare, la trasformano in energia chimica e la immagazzinano sotto forma di zuccheri. Ma non tengono tutto. Trasudano rifiuti attraverso le loro radici nella rizosfera. Questa è la zona del suolo direttamente influenzata dalle secrezioni radicali. I batteri vivono lì. Mangiano gli zuccheri e le proteine che la pianta sputa.
Questa relazione è il motore di una cella a combustibile microbica vegetale (PMFC). L’impianto fornisce il combustibile. I batteri forniscono il meccanismo. Finché il sole splende e la pianta rimane verde, i batteri hanno un buono pasto. E quel pasto genera elettricità.
Sì, la prima legge della termodinamica è ancora valida. Non puoi ottenere energia dal nulla. Il sole è la fonte esterna. Ma la conversione avviene proprio lì, nella terra.
Come i microbi trasformano il cibo in corrente
Allora come fa il consumo di zucchero a creare una scintilla? È chimica. Nello specifico, si tratta di dividere una reazione a metà.
In un modello standard di combustione o respirazione, il glucosio e l’ossigeno reagiscono per produrre anidride carbonica e acqua. L’equazione sembra pulita:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
Ma le cellule non lo fanno in un grande balzo. Lo scompongono in passaggi. Alcuni di questi passaggi intermedi rilasciano elettroni. Gli elettroni sono ciò di cui abbiamo bisogno per la corrente.
Invece della reazione completa, il processo microbico si divide in questo modo:
C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 24H+ + 24e-
Notate gli elettroni (e-) sul lato destro? Quelli sono gli agenti liberi. Vogliono andare da qualche parte. Vogliono combinarsi con l’ossigeno.
Questa divisione definisce le due metà della cella a combustibile.
La prima metà avviene nella rizosfera. È buio, umido e pieno di batteri che distruggono gli essudati radicali. Le radici delle piante, i rifiuti e i microbi condividono questo spazio.
La seconda metà è dall’altra parte di una membrana permeabile. In natura, quella membrana è il confine tra suolo e acqua. Lì è ricco di ossigeno.
Il circuito è chiuso
È qui che avviene la magia. I protoni (H+) e gli elettroni (e-) della prima metà devono incontrare l’ossigeno per completare la reazione.
Nella seconda camera si combinano con l’ossigeno per formare l’acqua:
6O2 + 24H+ + 24e- → 12H2O
I protoni fluiscono attraverso la membrana a scambio ionico. Questo crea una carica positiva netta. Gli elettroni? Non possono attraversare la membrana. Quindi prendono la strada più lunga. Scorrono attraverso un filo esterno per raggiungere il lato dell’ossigeno.
Quel flusso è attuale. Voilà. Hai appena alimentato qualcosa utilizzando i rifiuti vegetali.
Eliminare potenziali problemi
Sembra perfetto. Energia pulita. Nessuna parte in movimento. Ma ci sono problemi.
Non comprendiamo appieno il modo in cui gli elettrodi influenzano l’ambiente delle radici. Inserire sonde metalliche nel terreno cambia tutto. Potrebbe ridurre la disponibilità di nutrienti. Potrebbe indebolire il sistema immunitario di una pianta. Se la pianta muore, la cella a combustibile si ferma.
Poi c’è il problema della posizione. Le PMFC funzionano meglio nelle zone umide e nei terreni coltivati. Queste sono terre protette. L’approvazione ambientale per l’installazione degli elettrodi nelle zone umide protette sarà un incubo legale.
Tuttavia, c’è un potenziale vantaggio. Le celle a combustibile microbiche presenti nelle acque reflue possono ossidare l’ammonio e ridurre i nitrati. Il deflusso agricolo è un grosso problema per le zone umide. Se le PMFC potessero aiutare a pulire l’acqua generando energia, potrebbero compensare il rischio ambientale.
È un compromesso. Stiamo cercando una tecnologia che potrebbe curare la terra alimentandola. Ma dobbiamo sapere esattamente cosa fanno questi elettrodi alle radici prima di piantarli ovunque.
La scienza è solida. L’ingegneria è disordinata. Il futuro è fangoso.
I limiti dell’elettricità verde
Guarda un allestimento PMFC nel 2012. Sembra un giardino. Nello specifico, un giardino con zone umide. Nel terreno crescono la manna, il riso, la cordgrass o la canna gigante. Fili colorati escono dalla terra. Questo è l’unico indizio che l’energia viene generata.
Non producono molta energia. Non ancora. Funzionano solo in acqua.
Ma la scienza si sta muovendo. I ricercatori sono spinti da un problema più grande: il conflitto cibo-energia. I biocarburanti mettono a dura prova l’offerta alimentare globale. Le PMFC offrono una via d’uscita. Non necessitano del drenaggio delle risaie. Gli agricoltori possono continuare a coltivare cibo. I villaggi possono installare questi sistemi nelle zone umide. Le aree povere del suolo possono generare energia senza rubare terra coltivabile.
Le serre potrebbero gestirle tutto l’anno. Campi aperti? Dipende dalla stagione.
L’energia locale riduce la necessità di spedire carburante. Meno spedizioni significano meno emissioni di carbonio. Sembra una vittoria.
C’è un collo di bottiglia. Uno grande. La pianta stessa.
La fotosintesi è inefficiente. I cloroplasti assorbono la luce solo nell’intervallo 400-700 nanometri. Questo rappresenta il 45% della radiazione solare. Il resto rimbalza. Le piante sprecano il resto.
Le piante C3 e C4 gestiscono questo problema in modo diverso. Le piante C3 formano prima molecole a tre atomi di carbonio. Costituiscono il 95% delle specie. Alberi, grano, riso. La loro efficienza teorica è pari al 4,6%. In realtà, ne hanno raggiunto il 70%. Circa il 3,2%.
Piante C4? Mais. Canna da zucchero. Formano molecole a quattro atomi di carbonio. Sono migliori. Limite teorico: 6%. Limite pratico: circa il 4,2%.
Poi arriva il terreno. Solo il 20% della biomassa vegetale raggiunge la zona radicale. La rizosfera. Di lì, solo il 30% diventa cibo per i microbi. I microbi fanno il loro lavoro. Sputano elettroni.
Le PMFC catturano il 9% di quell’energia microbica sotto forma di elettricità.
Fai i conti.
Per piante C3: 0,70 x 0,046 x 0,20 x 0,30 x 0,09.
Risultato: conversione da solare a elettrico dello 0,017%.
Per piante C4: 0,70 x 0,060 x 0,20 x 0,30 x 0,09.
Risultato: 0,022%.
Piccoli numeri. Ma alcuni ricercatori ritengono che questi modelli siano troppo pessimistici. Se il potenziale è più alto, i consumatori vincono.
La speranza dell’idrogeno
Le celle a combustibile stanno guadagnando terreno. Danno alle auto più autonomia delle batterie. Si adattano meglio ai veicoli di grandi dimensioni. L’interesse è aumentato alla fine del 2012.
Le celle a combustibile a idrogeno sembrano verdi. Non lo sono. Produrre idrogeno richiede enormi quantità di elettricità. Il processo non è a zero emissioni di carbonio. Sconfigge lo scopo.
Le PMFC producono gas idrogeno in modo naturale. Attraverso lo stesso processo microbico che genera elettricità. Questa potrebbe essere la chiave per una vera produzione di idrogeno verde.
Dal petrolio ai vomeri
Il passaggio dal petrolio alle piante non riguarda solo il carburante. Riguarda l’uso del territorio. Si tratta di fermare la competizione tra cibo ed energia. Le zone umide diventano centrali elettriche. Le risaie diventano sistemi ibridi. Il terreno lavora di più. La griglia diventa più pulita.
L’efficienza è bassa. La tecnologia è giovane. Ma l’alternativa – scavare la terra alla ricerca del petrolio – sembra sempre più obsoleta. Le radici sono pronte.
La tecnologia non è impeccabile. Le celle a combustibile microbiche vegetali (PMFC) sono bloccate in un tiro alla fune. Il substrato deve sostenere le radici delle piante facilitando contemporaneamente il trasferimento di elettroni. Questi due obiettivi spesso combattono tra loro. Prendi i livelli di pH. Se l’acidità è diversa tra le due camere cellulari, gli ioni attraversano la membrana per bilanciare le cose. Questo cortocircuita la tensione. Il potenziale elettrico diminuisce. Gli ingegneri devono risolvere questo problema.
Risolvi i problemi e il potenziale è sconcertante. Tutto dipende dalla densità di energia. Uno studio del 2008 ha fissato la produzione a 21 gigajoule per ettaro all’anno. Sono 5.800 kilowattora per 2,5 acri. Dati più recenti suggeriscono che il numero potrebbe salire alle stelle fino a 1.000 gigajoule per ettaro.
Per metterlo in prospettiva, consideriamo la linea di base:
– Un singolo barile di petrolio contiene circa 6 gigajoule di energia chimica.
– L’Europa conta 13,7 milioni di agricoltori. La dimensione media dell’azienda agricola è di 12 ettari.
– Gli Stati Uniti hanno 2 milioni di agricoltori. La dimensione media dell’azienda agricola è di 180 ettari.
Esegui i numeri. Se solo l’1% dei terreni agricoli statunitensi ed europei passassero alla tecnologia delle celle a combustibile microbiche vegetali, il rendimento sarebbe enorme. L’Europa potrebbe generare 34,5 milioni di gigajoule all’anno. Gli Stati Uniti potrebbero raggiungere i 75,6 milioni di gigajoule.
Confrontalo con il consumo. Nel 2010, i 27 paesi dell’UE hanno bruciato 1.759 milioni di tonnellate equivalenti di petrolio (TEP). Ciò equivale a 74,2 miliardi di gigajoule. O 20,5 trilioni di chilowattora. TOE è la metrica standard per confrontare le fonti energetiche. Una tonnellata equivalente di petrolio.
In questo modello semplificato, le PMFC sono una goccia nel mare. Un calo enorme, ma pur sempre un calo rispetto alla domanda totale. Eppure è una goccia senza inquinamento. Proviene da campi verdi, non da ciminiere o turbine eoliche che uccidono gli uccelli.
Questo è solo l’inizio. I ricercatori stanno progettando batteri che mangiano i rifiuti più velocemente. Tra il 2008 e il 2012, le modifiche alla chimica del substrato hanno raddoppiato la produzione elettrica in alcuni test. PlantPower, un attore chiave nel settore, sostiene che i PMFC perfezionati potrebbero fornire il 20% dell’energia primaria europea. Si tratta di energia estratta direttamente da fonti naturali e non trasformate.
Il costo è ancora la barriera. Devono essere più economici ed efficienti prima di un’adozione diffusa. Si stanno verificando progressi. I produttori stanno abbandonando i metalli preziosi per gli elettrodi conduttivi in tessuto di carbonio. Risparmia denaro. Nel 2012, eseguire un impianto da un metro cubo in un laboratorio costava 70 dollari.
Pensa ai vantaggi collaterali. Rimozione degli inquinanti. Riduzione dei gas serra. Se gli investitori e i governi ne capissero il valore, le PMFC potrebbero diventare le centrali elettriche del futuro. Oppure potrebbero semplicemente piantare il seme per qualcosa di ancora migliore.
