Tecnologia: acqua di mare, idrogeno e Sole per produrre energia

L’idrogeno è l’elemento più semplice e comune dell’universo e quindi potrebbe rappresentare una fonte quasi illimitata di energia pulita – non a caso le stelle sfruttano proprio l’idrogeno per splendere nel cielo. Una parte delle ricerche è incentrata sulla fusione nucleare, che mira a riprodurre le condizioni estreme dei nuclei stellari per produrre grandi quantità di energia. L’unico problema che si pone è quella del contenimento: come si trattiene in uno spazio limitato una palla di fuoco a milioni di gradi in modo che non esploda come una bomba? Se riuscirete a trovare la risposta probabilmente sarete considerati i salvatori dell’umanità. 

Un seconda strada promettete è quelle delle celle combustibili che sfruttano l’elettrolisi dell’acqua. Il concetto di base è molto semplice: immergendo due elettrodi collegati ad una batteria in una soluzione acquosa è possibile scindere idrogeno e ossigeno dalla molecole d’acqua e riportarli in forma gassosa. In soluzione acquosa si formano naturalmente coppie di ioni H⁺ e OH^– per effetto della dissociazione; questo processo consiste nella scissione delle molecole in sotto-molecole per effetto di agitazione termica o di un solvente in cui viene disciolto un soluto. Immergendo gli elettrodi nell’acqua, quello collegato al morsetto positivo attirerà gli ioni OH^– (carichi negativamente): due ioni OH^– cedono gli elettroni in eccesso all’elettrodo (che essendo collegato alla batteria è come un aspirapolvere di elettroni) e si ricombineranno a formare una una molecola d’acqua e un atomo di ossigeno; quest’ultimo si combina in molecole biatomiche e sale sotto forma di gas. Analogamente al morsetto negativo arrivano gli ioni H⁺ che stavolta assumono gli elettroni forniti dal conduttore, combinandosi in molecole di idrogeno biatomico e gassoso. 

Processo di elettrolisi

Il trucco sta nel rovesciare questo processo: se la corrente elettrica è in grado di separare idrogeno e ossigeno, allora la ricombinazione di idrogeno e ossigeno dovrebbe poter generare energia elettrica – molto pulita tra l’altro perché il materiale di scarto è semplicemente acqua. L’idea è quella di scindere le molecole in ioni positivi e negativi, i quali poi seguiranno circuiti diversi – producendo una corrente utilizzabile ad esempio per accendere una lampadina – e successivamente vanno a ricombinarsi. Il processo è teoricamente possibile con qualunque molecola, ma l’idrogeno è un elemento facile da scindere in due ioni e quindi un candidato ideale. Il principio di funzionamento della cella combustibile è modellizzabile in questa maniera: l’idrogeno arriva ad una membrana che lascia passare gli ioni positivi, mentre non permette il passaggio degli elettroni. Per combinarsi con l’ossigeno l’idrogeno si scinde e gli elettroni seguono un circuito elettrico che può alimentare vari dispositivi. Alla fine tutto si ricompone in molecole d’acqua e si ritorna all’equilibrio. La velocità con cui avviene la reazione – e di conseguenza l’intensità di corrente – e la resistenza interna del sistema non permettono però di ricavare grandi quantità di energia. Lo studio di nuove tecnologie in grado di ottimizzare la produzione di corrente elettrica. 

Per produrre energia è necessario quindi scindere prima di tutto l’idrogeno. Grandi quantità di idrogeno. L’elettrolisi classica non è in grado di produrne molto in realtà. Ma con la nuova ricerca che combina acqua di mare e luce solare con un nuovo tipo di elettrodi è in grado di accelerare molto la produzione. 

Funzionamento della cella combustibile

Elettrolisi: questione di Sole e acqua di mare 

Utilizzando particolari celle a semiconduttore, invece di sfruttare l’energia di una batteria esterna si può utilizzare quella del Sole per scindere le molecole d’acqua in idrogeno e ossigeno. Semplificando molto è il pannello solare a fornire la tensione necessaria a polarizzare i due elettrodi che producono per elettrolisi ossigeno e idrogeno. Un grosso problema dovuto che impedisce di ottenere un buon rendimento dell’elettrolisi è la corrosione degli elettrodi per effetto delle impurità disciolte nell’acqua. Esse tendono a prelevare ioni dagli elettrodi, smontandoli piano piano. Le soluzioni sono solo due: o utilizzare acqua demineralizzata – molto più costosa da ottenere – o utilizzare la tecnica sviluppata da ricercatori dell’Università di Stanford. Gli scienziati sono riusciti a produrre degli elettrodi in grado di sostenere numerosi cicli di elettrolisi senza deteriorarsi, utilizzando la semplice acqua di mare. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista dell’Accademia Nazionale delle Scienze degli Stati Uniti (Pnas) e permette di ottenere l’idrogeno combustibile a basso costo. 

Il sistema sviluppato dai ricercatori

Utilizzando l’idrogeno come combustibile, invertendo l’elettrolisi, si ottiene energia completamente pulita. I costi e gli scarsi rendimenti però fino ad ora non hanno favorito gli investimenti nel settore. Hongjie Dai, uno degli autori dello studio, osserva: 

Per fornire abbastanza energia ad automobili e città ci vorrebbe così tanto idrogeno che non è concepibile l’uso di acqua distillata. 

Per superare questo ostacolo sono stati progettati dal team di scienziati guidati da Yun Kuang hanno realizzato degli elettrodi rivestiti da una particolare sostanza, il solfuro di nichel, che respinge gli ioni di cloro contenuto nell’acqua di mare e impedisce in questo modo la corrosione. Lo speciale rivestimento permette di allungare la vita degli elettrodi, abbattendo i costi e aumentando le prestazioni. Michael Kenney,  uno dei ricercatori spiega: 

Con questo rivestimento invece possono lavorare per più di 1000 ore. 

Oltretutto i ricercatori hanno sviluppato un intero sistema per produrre idrogeno per elettrolisi tramite la luce solare. Utilizzando l’acqua della Baia di San Francisco è stato possibile eguagliare le prestazioni dei sistemi ad acqua distillata. Produrre idrogeno a basso costo è fondamentale per spingere sullo sviluppo di nuove fonti di energia e motori a combustibile pulito. Con l’arrivo delle auto elettriche ci sarà sempre più fame di energia elettrica. Una fame che forse solo l’energia pulita dell’idrogeno potrà placare. Niente più emissioni di gas serra, nient inquinanti. L’elettrolisi dell’acqua per generare combustibile a idrogeno potrebbe essere vitale per il futuro panorama delle energie rinnovabili. Dalla sezione scienze è tutto, speriamo in futuro con tanto idrogeno e poca anidride carbonica! Continuate a seguirci per tante news ed approfondimenti dal mondo naturale.