Celle solari auto-rigeneranti


Un gruppo di ricercatori del MIT (Massachussetts Institute of Technology), guidati dal prof. Michael Strano, ha pubblicato lo scorso 5 settembre 2010 sulla rivista Nature Chemistry, i risultati di un’interessantissima ricerca che li ha condotti a realizzare la prima cella fotovoltaica in grado di auto-rigenerarsi.

Cella solare auto-rigenerante

Il prototipo di cella messo a punto dal gruppo di ricerca guidato dal Prof. Michael Strano, MIT. Credit: Patrick Gillooly

L’idea del prof. Strano è nata dall’approfondimento della biologia delle piante: esse, infatti, ogni giorno fanno esattamente ciò che scienziati e ingegneri di tutto il mondo hanno cercato di sviluppare per decine di anni, ovvero convertire la luce del sole in energia, e ripetono questo processo in modo efficiente ed affidabile giorno dopo giorno, anno dopo anno per tutta la durata della propria vita. Uno dei problemi fondamentali per tutti i sistemi che sfruttano l’energia solare è il fenomeno di degradazione che i raggi del sole inducono, in maniera più o meno progressiva, sulla quasi totalità dei materiali. Proprio dall’osservazione delle piante, che invece non risentono di questo problema, è nata l’ispirazione che ha dato il via all’attività dei ricercatori del MIT: le piante, infatti, rompono le molecole responsabili del fenomeno di assorbimento della luce, riproducendole continuamente così da mantenere inalterata l’efficienza di assorbimento del sistema. Basti pensare che, come riporta il prof. Strano, la foglia di un albero ricicla le sue proteine, responsabili dell’assorbimento della radiazione solare, circa ogni 45 minuti: si tratta di un vero e proprio meccanismo di auto-rigenerazione delle celle.

Uno degli obiettivi della ricerca di Strano era proprio quello di trovare modi per imitare questi comportamenti, osservati in natura, utilizzando nanocomponenti. Nel caso delle molecole utilizzate per la fotosintesi nelle piante, la forma reattiva dell’ossigeno prodotta dall’irraggiamento solare, provoca la rottura delle proteine secondo un preciso meccanismo. Tale meccanismo ha luogo nei cloroplasti, dove si verifica il processo di fotosintesi: l’anidride carbonica assorbita dall’ambiente esterno è utilizzata per produrre glucosio (energia) grazie all’intervento della radiazione solare.

Per imitare tale processo, Strano e il suo team di ricerca, supportato da fondi provenienti da MIT Energy Initiative e dall’ENI Solar Frontiers del MIT, ha prodotto molecole sintetiche dette fosfolipidi, che formano dei dischi: tali dischi forniscono un supporto strutturale per altre molecole di natura proteica, che effettivamente interagiscono con la luce, in strutture denominate centri di reazione. I dischi si trovano in una soluzione in cui, di fatto, si dispongono secondo un allineamento uniforme lungo nanotubi in carbonio. Grazie a questo allineamento, tutti i centri di reazione situati in ciascuno dei dischi fosfolipidici, vengono a trovarsi contemporaneamente esposti alla radiazione luminosa del sole; questa determina il rilascio, da parte delle molecole reattive, di elettroni che, convogliati nei nanotubi, danno origine ad una corrente elettrica.

Il sistema messo a punto da Strano è costituito da sette differenti composti (fra cui i nanotubi di carbonio, i fosfolipidi, e le proteine che costituiscono i centri di reazioni) che in opportune condizioni si assemblano spontaneamente per formare una struttura che assorbe radiazioni luminose producendo energia elettrica. Quando un opportuno tensioattivo viene aggiunto a tale miscela, il sistema si disassembla ed i vari componenti vanno in soluzione. Rimuovendo il tensioattivo, mediante un filtraggio effettuato con un’apposita membrana, i vari componenti si assemblano spontaneamente ancora una volta, dando origine alla medesima struttura fotovoltaica perfettamente rinnovata.

Di fatto è stato messo a punto un sistema perfettamente reversibile: testato per un periodo di 14 ore consecutive, il dispositivo prototipo non ha evidenziato alcuna perdita di efficienza.

Le singole reazioni di conversione della luce del sole che avvengono in queste nuove strutture molecolari hanno un’efficienza che si attesta intorno al 40%. Teoricamente, l’efficienza delle strutture potrebbe essere prossima al 100%, tuttavia nei primi esperimenti condotti dal tema di Strano la concentrazione di tali strutture era bassa, cosicché l’efficienza del dispositivo era, conseguentemente, ridotta. Attualmente si sta lavorando per cercare di incrementare questo valore.

Un confronto con le attuali tecnologie fotovoltaiche appare ardito, “è come confrontare mele con arance”, sostiene uno dei ricercatori del team, poiché il principio alla base di questa nuova soluzione è del tutto diverso da quello su cui si basano le tecnologie convenzionali. Indubbiamente si tratta di una scoperta di notevole interesse, fra le prime che, di fatto, mettono in atto il principio di auto-rigenerazione tipico dei sistemi biologici e che differenziano questi ultimi dai dispositivi realizzati dall’uomo. Occorrerà attendere un po’ di tempo per vedere se questa scoperta troverà effettivi sbocchi applicativi sul mercato.

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