Carburanti solari come generati dalla natura

Grazie a nuove intuizioni sui dettagli della scissione dell’acqua fotosintetica, le prospettive per lo sviluppo di carburanti puliti a base di acqua e luce solare stanno migliorando

I problemi di approvvigionamento energetico della società potrebbero essere risolti in futuro utilizzando un modello adottato dalla natura. Durante la fotosintesi, le piante, le alghe e alcune specie di batteri producono zuccheri e altre sostanze ricche di energia (cioè combustibili) utilizzando l’energia solare. Un team guidato da ricercatori del Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion di Mülheim an der Ruhr sta attualmente sviluppando metodi sperimentali per accertare come questo processo avvenga in natura. Gli scienziati stanno studiando un cofattore particolarmente importante coinvolto nella fotosintesi, un complesso manganese-calcio, che usa l’energia solare per dividere l’acqua in ossigeno molecolare. Hanno determinato la struttura esatta di questo complesso in una fase cruciale di questa reazione chimica. Questo ha portato a un suggerimento dettagliato su come l’ossigeno molecolare, O2, si forma in questo complesso metallico. Attraverso queste nuove intuizioni sulla fotosintesi, gli scienziati hanno fornito un modello per i sistemi sintetici che potrebbero immagazzinare l’energia della luce solare in vettori energetici chimici.

Per oltre tre miliardi di anni, la natura ha utilizzato la luce solare come fonte di energia primaria nella fotosintesi. Nel corso di questo processo, piante, alghe e cianobatteri (alghe blu-verdi) usano la luce del sole per scindere l’acqua e produrre composti chimici ricchi di energia dall’anidride carbonica (CO2). Il prodotto finale sono i carboidrati che, in natura, agiscono come combustibili solari nella cellula vivente. Anche se le reazioni di base coinvolte nella fotosintesi sono note da molto tempo, i ricercatori del Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion di Mülheim an der Ruhr e del Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) di Saclay, Francia, sono ora riusciti a spiegare importanti dettagli del processo di scissione dell’acqua indotta dalla luce. Come risultato, hanno raffinato la base scientifica per la generazione di combustibili solari ecologici e a basso costo attraverso la fotosintesi artificiale utilizzando la luce del sole e l’acqua, uno sviluppo che potrebbe consentire alla società di porre fine alla sua dipendenza dai combustibili fossili come il petrolio, il carbone e il gas naturale.

Un catalizzatore di scissione dell’acqua

La scissione catalitica dell’acqua indotta dalla luce avviene in un complesso metallico che è incorporato in una grande proteina di membrana (fotosistema II). Questo complesso è composto da quattro atomi di manganese (Mn) e un atomo di calcio (Ca), tenuti insieme da una rete di ponti di ossigeno (vedi immagine). Questo complesso di ossidazione dell’acqua o di sviluppo dell’ossigeno subisce un ciclo complicato che libera elettroni e protoni, quindi alla fine idrogeno, e ossigeno molecolare.

In un articolo pubblicato questa settimana sulla rivista Science, il team di ricerca franco-tedesco presenta la struttura di questo complesso manganese-calcio direttamente prima della produzione di ossigeno. Questa comprensione di una fase chiave della fotosintesi vegetale è molto significativa: fornisce una comprensione più dettagliata del meccanismo coinvolto nella fotosintesi e permetterà lo sviluppo di sistemi sintetici per la scissione dell’acqua indotta dalla luce basati su questo modello.

Lo studio è il risultato di una stretta collaborazione tra i dipartimenti di chimica biofisica e teoria molecolare dell’Istituto Max Planck per la conversione dell’energia chimica sotto la direzione di Wolfgang Lubitz e Frank Neese. All’interno di questi dipartimenti, Nicholas Cox e Dimitrios Pantazis hanno messo insieme un team interdisciplinare che mira ad ottenere una migliore comprensione dei dettagli molecolari della scissione dell’acqua in natura.

Tre sfide poste dalla ricerca sul fotosistema II

La prima sfida affrontata dai ricercatori ha riguardato l’estrazione e la purificazione del fotosistema II con un complesso di scissione dell’acqua completamente intatto dall’organismo originale, un cianobatterio termofilo, che si trova in sorgenti calde e vulcani in Giappone ed è molto robusto. Per soddisfare i requisiti molto rigorosi sulla qualità della preparazione, i ricercatori di Saclay hanno dovuto svolgere diversi anni di lavoro di sviluppo in collaborazione con i ricercatori giapponesi.

La seconda sfida che il team di ricerca ha incontrato riguarda la caratterizzazione del complesso di manganese nel fotosistema II durante le diverse fasi della scissione dell’acqua. I ricercatori del dipartimento di chimica biofisica del Max Planck Institute di Mülheim hanno superato questo ostacolo con l’aiuto della risonanza paramagnetica elettronica (EPR). Questa tecnica permette di visualizzare la distribuzione degli elettroni in una molecola o in un complesso metallico e quindi fornisce una visione profonda delle singole fasi della scissione dell’acqua. “Queste misurazioni hanno generato nuove informazioni e hanno permesso di risolvere i problemi relativi all’analisi dettagliata delle strutture molecolari nel ciclo di reazione che non sono accessibili con altri metodi”, dice il dottor Alain Boussac del CEA di Saclay.

Infine, la terza sfida consisteva nell’utilizzare le informazioni ottenute per produrre un modello strutturale completo del biocatalizzatore. I calcoli necessari per questo processo sono stati facilitati utilizzando nuovi metodi teorici e i supercomputer del Dipartimento di Teoria Molecolare dell’Istituto Max Planck. In questo modo, i ricercatori sono riusciti a dimostrare che durante la fase finale del ciclo di reazione, una seconda molecola d’acqua si lega accanto a un atomo di ossigeno attivo nel complesso e rilascia un protone. Questo porta alla formazione del legame O-O nella fase successiva.

Carburante dalla luce del sole – copiare la natura

Grazie a questa decodifica della struttura e della funzione del catalizzatore di scissione dell’acqua nel fotosistema II a livello atomico, una spiegazione del meccanismo di scissione dell’acqua è ora a portata di mano. Questa conoscenza permette l’identificazione di criteri importanti per la progettazione di simili catalizzatori sintetici che dividono l’acqua usando elementi ecologici, a basso costo e facilmente disponibili. Attualmente, il platino costoso e altri metalli rari o complessi metallici sono ampiamente utilizzati per questo scopo. Questo rende la produzione su larga scala di vettori energetici rinnovabili (combustibili) come l’idrogeno molto costosa, o addirittura impossibile.

Con l’aiuto di catalizzatori bio-ispirati, l’idrogeno o un altro combustibile solare potrebbe essere prodotto a basso costo attraverso la combinazione di dispositivi di energia solare con catalizzatori di scissione dell’acqua per la generazione di combustibili solari invece di elettricità. Questo permetterebbe al settore energetico di superare i principali problemi associati all’energia solare: la luce del sole non è disponibile tutto il giorno come fonte di energia, e l’elettricità non è molto adatta per far funzionare i veicoli a motore. Al contrario, il concetto di combustibile solare permette l’immagazzinamento diretto dell’energia solare in composti chimici e, quindi, l’uso di questa energia in qualsiasi momento o luogo.

“I combustibili solari sintetici aprono ampie possibilità per le tecnologie delle energie rinnovabili, in particolare per i settori dei trasporti e delle infrastrutture, che dipendono ancora dai combustibili fossili”, dice il professor Wolfgang Lubitz, direttore del Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion. “Un catalizzatore efficiente per la scissione dell’acqua, guidato dalla luce e basato su metalli comuni come il manganese, rappresenterebbe un enorme progresso. La conoscenza acquisita dell’enzima di scissione dell’acqua in natura attraverso questa ricerca ha posto le basi per tali sviluppi.”

ES/PH