BIOSCIENZE/ Ecco la “ricetta” per le prossime fuel cell (senza platino)
LUCA DE GIOIA racconta la scoperta del funzionamento degli enzimi idrogenasi, che rappresentano esempi eco-compatibili per lo sviluppo di tecnologie di nuova generazione per le fuel cell.
L'enzima nichel-ferro idrogenasi (a sinistra) e il sito catalitico (a destra) con in evidenza un atomo di nichel e uno di ferro Capire la natura per rubarne i segreti. Almeno in parte. È quello che è accaduto diverse volte nella storia della produzione di energia da parte dell’uomo e potrebbe ripetersi a breve in seguito alle ricerche di tre ricercatori dell’università Bicocca di Milano. I tre scienziati sono Maurizio Bruschi e Claudio Greco, del dipartimento di Scienze dell’Ambiente del Territorio e di Scienze della Terra, e Luca De Gioia, del dipartimento di Biotecnologie e Bioscienze.
In collaborazione con ricercatori di altre università europee hanno appena pubblicato tre articoli sulle riviste Nature Chemistry e Journal of the American Chemical Society che danno un contributo significativo alla soluzione dell’enigma della reazione grazie alla quale le ferro-idrogenasi si proteggono dall’ossigeno molecolare evitando così di “arrugginirsi” e di smettere di funzionare.Che cosa sono le idrogenasi? In natura le idrogenasi si trovano in moltissimi batteri e alghe che le utilizzano per trasformare e quindi rendere utilizzabile l’energia chimica contenuta nella molecola di idrogeno. Ciò vuol dire che l’idrogeno può essere usato da questi microrganismi come alimento e tale capacità rappresenta un esempio che l’uomo potrebbe sfruttare per lo sviluppo delle tecnologie che consentono di usare l’idrogeno come combustibile (si parla in questo caso di celle a combustibile o fuel cell).
Le ricerche descritte nei tre articoli raccontano la scoperta del funzionamento degli enzimi idrogenasi, che rappresentano esempi eco-compatibili per lo sviluppo di tecnologie di nuova generazione per le fuel cell. Come ha spiegato a Ilsussidiario.net Luca De Gioia, «quello che pensiamo di aver trovato è la “ricetta molecolare” che permette a questi enzimi di funzionare e di catalizzare questa reazione in modo così efficiente. Quindi, ora che si è svelato il meccanismo d’azione, c’è la possibilità di riprodurlo; non utilizzando l’enzima intero – che in una fuel cell sarebbe troppo complicato – ma sintetizzando dei catalizzatori a base di ferro e nichel che potrebbero portare a celle a combustibile che funzionano nello stesso modo».
Nel dettaglio, il lavoro pubblicato su Nature Chemistry, frutto della collaborazione tra il team della Bicocca e i colleghi del CNRS di Marsiglia, dell’Université de Toulouse, del dipartimento di fisica e astronomia dello University College di Londra e dell’iBiTec di Saclay, ha permesso di identificare caratteristiche finora sconosciute e peculiari della struttura dell’enzima idrogenasi, portando alla luce aspetti essenziali della sua attività catalitica. Tale studio ha infatti dimostrato che il sito attivo dell’enzima presenta caratteristiche di flessibilità inattese, alla base della sua robustezza: i componenti del sito attivo dell’enzima mostrano un grado di mobilità notevole, che consente all’enzima di interagire con l’idrogeno in maniera anche non convenzionale, evitando così processi potenzialmente distruttivi per la proteina. Più specificamente, è stato scoperto in che modo la variante dell’enzima contente solo atomi di ferro sia in grado di evitare reazioni dannose e di preservare la propria integrità anche in condizioni di stress ossidativo.
Nello studio del Journal of the American Chemical Society, Bruschi e De Gioia hanno indagato la variante dell’enzima idrogenasi contenente anche un atomo di nichel, e hanno scoperto le caratteristiche strutturali alla base della funzionalità del nichel in queste proteine, che sono in grado di ossidare idrogeno con una grande efficienza.
Lo studio potrà avere un impatto decisivo sullo sviluppo di catalizzatori sintetici più semplici rispetto alla proteina, ma in grado di ossidare idrogeno con la stessa efficienza. Tutto questo adesso attende le necessarie verifiche perché si possa parlare di applicazioni. De Gioia tuttavia ci fa notare che «il gruppo di Marsiglia è un gruppo sperimentale e lo studio condotto con loro ci ha già dato delle buone evidenze che si tratta di risultati affidabili.
Certo, il prossimo passo sarà sintetizzare e implementare sperimentalmente queste “scoperte”, anche se questa mi sembra una parola troppo grossa. Quello che è importante adesso è trovare la modalità giusta per implementare questo tipo di ricetta in molecole sintetiche; il lavoro fatto in collaborazione col gruppo di Berlino va proprio in questa direzione; una direzione più applicativa, cioè la sintesi di molecole “reali” che dovrebbero funzionare almeno come l’enzima».Il team dell’Università Humboldt di Berlino, guidato da Kallol Ray, ha sintetizzato una molecola innovativa contenente un atomo di nichel, che ha la capacità di legare e trasformare l’acido formico (più facile da immagazzinare rispetto all’idrogeno e presente in grandi quantità nelle biomasse), mentre i ricercatori di Bicocca hanno usato metodi teorici per svelare la base delle peculiari proprietà di questo nuovo composto.
Quali allora i vantaggi per le future celle a combustibile? De Gioia parla di semplicità e di efficienza catalitica molto elevata: una piccola quantità di proteina ferro-idrogenasi produrrebbe idrogeno sufficiente a riempire il serbatoio di un’autovettura in pochi minuti; una sola molecola di ferro-idrogenasi, infatti, può generare fino a novemila molecole di idrogeno al secondo. Ma soprattutto il nostro interlocutore sottolinea l’importanza del basso costo e della sostenibilità economica del processo. «Già adesso esistono delle celle a combustibile che funzionano. Utilizzano però il palladio e il platino e sono molto costose; soprattutto non è pensabile utilizzarle su larga scala, anche perché non ci sono riserve sufficienti di quei materiali. Invece, avere catalizzatori a base di ferro e di nichel è un notevole vantaggio perché si tratta di metalli molto abbondanti sulla Terra e molto meno costosi del platino che è metallo prezioso e raro».A quando allora le nuove fuel cell? Qui De Gioia si sbilancia un po’, avanzando un “quattro-cinque anni”. «È una previsione ragionevole. Ci sono molti gruppi che stanno lavorando su questi temi, in Usa, UK, Germania e Francia; i progressi fatti negli ultimi anni e la quantità di persone ormai coinvolte ci fa pensare che nel giro di pochi anni si possano avere i primi catalizzatori da impiegare a livello industriale».
Adesso la palla passa ai chimici, che devono riuscire a sintetizzare delle molecole con le stesse caratteristiche indicate dalla “ricetta” del gruppo italo-franco-tedesco; ma c’è già qualcuno che si è avvicinato al traguardo e forse i tempi potrebbero essere ancor più brevi.Quanto alle potenziali applicazioni, si pensa subito ai trasporti, agli autoveicoli. «Sono senz’altro le applicazioni più gettonate. Ma non ci sono solo loro. Oggi si inizia a pensare di utilizzare le fuel cell ad esempio come batterie per dispositivi elettronici mobili, dato che si iniziano a ridurre i problemi di logistica e di ingombro legati all’impiego dell’idrogeno come combustibile».
In attesa dei primi risultati, resta l’importanza delle ricerche ora pubblicate. Importanza che risalta ancor più se si considera che questi studi si inseriscono nel più ampio scenario delle ricerche orientate a capire come utilizzare meglio la luce solare per produrre direttamente dei combustibili. «Il passaggio che si potrà realizzare a seguito delle nostre ricerche è fondamentale per pensare di utilizzare l’idrogeno come combustibile. Quello che manca per chiudere veramente il cerchio sono dei catalizzatori che possano generare idrogeno molecolare usando l’energia solare. Ci sono molti ricercatori al lavoro su questo tema; un gruppo italiano molto noto è quello del prof. Vincenzo Balzani a Bologna. Mentre noi studiamo come far reagire l’idrogeno molecolare per ricavarne energia, loro studiano come usare l’energia solare per produrre idrogeno molecolare. I due processi sono evidentemente complementari e il successo congiunto delle due strade dovrebbe portarci a sfruttare quella che è l’unica fonte di energia effettivamente rinnovabile».
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