If a leaf can do it, we can do it!

Ecco la notizia che cercavo per i ragazzi della classe 1^a C (2011-2012) che stanno studiando la fotosintesi! La notizia è dedicata a loro.
Riflettete: ogni ora arriva sulla Terra, grosso modo, una quantità di energia solare pari a quella consumata nel mondo in un anno. Possibile che non riusciamo a sfruttare questa energia? Eppure le piante lo fanno da centinaia di milioni di anni!
La sfida è cominciata sul serio. A settembre 2011 è stato pubblicato un articolo molto promettente. Il gruppo di Daniel Nocera del MIT di Boston, ha copiato una foglia!!! L'obiettivo è proprio quello di copiare la fotosintesi costruendo una foglia artificiale.
I pannelli fotovoltaici convertono l'energia solare in energia elettrica, ma uno dei maggiori problemi è che non possono accumulare energia solare, in modo da poterla utilizzare quando il Sole non c'è. La rivoluzione sta dunque nel creare dei pannelli capaci di accumulare questa inesauribile fonte di energia. Un modo è quello di generare combustibili, come l'idrogeno dall'acqua, copiando esattemante quello che succede dentro i cloroplasti delle foglie.

Il fotosistema II. Il "pannello solare" della foglia.
Questa è la struttura chimica di uno dei fotosistemi che la pianta contiene nei tilacoidi dei cloroplasti dove è contenuta la clorofilla che, insieme ad altri pigmenti, cattura la luce del Sole.
(http://it.wikipedia.org/wiki/File:Fotosistema_secondo_PSII.png)
Un'animazione della fotosintesi dove potete distinguere la cattura della luce e la sintesi di molecole organiche.

Nella prima fase del processo di fotosintesi, l'energia solare viene utilizzata per scindere una molecola d'acqua in ossigeno e idrogeno, gli elementi chimici di cui è composta. Addentrandoci in maggiori dettagli chimici, quando la clorofilla cattura l'energia luminosa, alcuni elettroni dei suoi atomi si eccitano, cioè diventano più energetici. Gli elettroni energetici serviranno nella seconda fase per ridurre l'anidride carbonica (CO₂), e per produrre, reagendo con atomi di idrogeno, il glucosio (C₆H₁₂O₆). Ma gli elettroni eccitati della clorofilla lasciano, per così dire, dei "buchi" che devono essere "chiusi" con altri elettroni. Questi elettroni vengono presi dall'acqua, che appunto viene scissa in ossigeno e idrogeno. Con due molecole d'acqua si forma una molecola di ossigeno molecolare (O₂), gli elettroni riempiono i "buchi" della clorofilla e i protoni (atomi di idrogeno senza l'elettrone) serviranno per la sintesi di glucosio. Nella foglia esistono complesse strutture macromolecolari, come il fotosistema II rappresentato nella figura sopra, che contengono pigmenti, proteine, ioni, come il manganese o il calcio e che funzionano da catalizzatori delle reazioni chimiche alla base del processo di fotosintesi, permettendo la trasformazione dell'energia solare in energia chimica dei legami del glucosio.

La cella solare di Daniel Nocera (Reece et al., 2011).
(http://magazine.linxedizioni.it/files/2012/01/cella_solare_daniel_nocera.png)

Il gruppo di Daniel Nocera ha sviluppato una cella solare, economica ed efficiente. La cella utilizza materiali molto abbondanti sul nostro pianeta e relativamente poco costosi. E' fatta di silicio, che, dopo l'ossigeno, è l'elemento più abbondante sulla Terra. La cella solare in silicio contiene inoltre un catalizzatore, cioè una sostanza che facilita le reazioni chimiche, costituito da cobalto e boro. Immergendo questa foglia artificiale in una vaschetta d'acqua ed esponendola al Sole si osserva un flusso di bollicine: da una lato della cella esce ossigeno, dall'altro idrogeno, proprio come nei cloroplasti! E non è finita. Infatti l'energia solare, immagazzinata in molecole di idrogeno, potrebbe essere usata per sintetizzare direttamente metano. Questo avverrebbe utilizzando CO₂, proprio la molecola responsabile dell'effetto serra e la cui concentrazione atmosferica andrebbe diminuita.
Negli Stati Uniti sono stati stanziati 122 milioni di dollari per cinque anni per un centro di ricerca tutto dedicato alla fotosintesi artificiale. In Europa siamo un po' indietro, dice James Barber, esperto di fotosintesi dell'Imperial College di Londra. Ma cosa aspettiamo???

Referenze

Reece S.Y., Hamel J.A., Sung K., Jarvi T.D., Esswein A.J., Pijpers J.J.H., Nocera D.J. (2011) Wireless solar water splitting using silicon-based semiconductors and Earth-abundant catalysts. Science 334: 645-648.

Al lavoro con Sole, acqua , elettroni e catalizzatori. James Barber racconta.

Manuela Casasoli (manuela_casasoli@yahoo.it)