A Spinoff a Day – L’idrogeno come vettore energetico, un altro metodo

Come già ben sappiamo, trovare acqua allo stato liquido su Marte significherebbe avere a disposizione ossigeno, prezioso per la vita animale, e idrogeno, utilizzabile come carburante.

In vista delle missioni interplanetarie, NASA sta cercando metodi efficienti per separare i due elementi e ricombinarne le molecole per creare un circolo virtuoso e permettere la sopravvivenza umana su un corpo extraterrestre.

John Guerra, presidente di Nanoptek Corporation, agli inizi del nuovo secolo stava lavorando su un semiconduttore in grado di usare la luce solare per separare l’idrogeno dall’acqua, perlopiù per applicazioni terrestri.

Anni addietro alcuni ricercatori giapponesi avevano già notato che il biossido di titanio poteva fungere da fotocatalizzatore per separare le molecole d’acqua se sottoposto ai raggi ultravioletti, ma purtroppo la sua efficienza era minima perché solo il 4% dei fotoni presenti nella luce solare hanno lunghezze d’onda nella gamma UV, o più corte. La Nanoptek stava quindi seguendo questa strada per rendere più efficiente la sostanza. Poco prima del 2002, anno in cui l’azienda ha firmato un contratto SBIR con NASA (Small Business Innovation Research) per raccogliere finanziamenti, il team aveva scoperto un modo per aumentare la sensibilità del biossido di titanio mettendo le sue molecole sotto pressione.

Rendere il TiO2 un semiconduttore attivo esponendolo alla luce visibile significa spostare il suo gap energetico, ossia l’intervallo di energia tra la banda di conduzione e la banda di valenza.

Struttura elettronica a bande © CC – Fonte: https://it.wikipedia.org/wiki/Banda_proibita

Il band gap è utilizzato per classificare i materiali e distinguere i conduttori (band gap sovrapposto o molto stretto) dagli isolanti (band gap  più ampio): se il band gap è stretto, gli elettroni saltano facilmente dalla banda di valenza a quella di conduzione creando una carica. Per rendere la sostanza più conduttiva bisognava sottoporla a forte stress, ma senza bruciarla. Come fare? La soluzione di Nanoptek è stata quella di far crescere cristalli di biossido di titanio su una superficie leggermente ruvida, come spiega Guerra: “Se li fai crescere su una superficie piana e li sottoponi a stress, puoi arrivare ad avere una pressione di pochi Megapascal prima che la sostanza esploda, ma se la fai adagiare tra vari strati di materiale leggermente ruvido, la pressione aumenta fino ad entrare nel range di Gigapascal”, diventando una superficie conduttiva stabile e duratura. Ulteriori lavorazioni hanno infine permesso alla sostanza di essere attivata dalla luce solare visibile arrivando a sfruttarla fino al 29%, a differenza del precedente 4%. Se usato per l’elettrolisi, questo semiconduttore permette di suddividere gli atomi dell’acqua in idrogeno e ossigeno con un’efficienza del 97%, se stiamo attenti ad usare qualche accorgimento, come ad esempio il funzionamento notturno prendendo energia da sistemi eolici.

Quali benefici possiamo ricavare da questa tecnologia? Il sistema di Nanoptek è in grado di immagazzinare l’idrogeno prodotto, ma anche di riconvertirlo in energia per quando se ne abbia necessità. A differenza delle normali batterie, inoltre, non perde energia in calore e non soffre le alte temperature, anzi, “I nostri pannelli amano il calore” afferma Guerra, “Più caldo è l’elettrolito, più efficienza avrà il sistema”. I piani per il futuro prevedono la costruzione di impianti energetici su scala mondiale, ma anche reti per comunità locali; non solo: le compagnie automobilistiche stanno lavorando sia su auto elettriche che su mezzi con celle a idrogeno, pertanto il mercato di Nanoptek potrebbe conoscere sviluppi non indifferenti.

“La tecnologia potrebbe anche tornare verso NASA stessa” specula Guerra: “I nostri dispositivi lavorano con il sole e con l’acqua. Se le evidenze di quest’ultima saranno confermate su Marte, potremmo tranquillamente usare l’idrogeno per rifornire i razzi e l’ossigeno per gli habitat”.

L’idrogeno come vettore energetico © NASA / Veronica Remondini

Per approfondire:

Spinoff nel dettaglio [ENG]

Sito di Nanoptek [ENG]