Un nuovo prototipo di dispositivo dimostra un approccio innovativo alla produzione di ammoniaca – un componente chiave dei fertilizzanti – che potrebbe trasformare un’industria responsabile di circa un terzo delle emissioni globali di gas serra.
L’aria intorno a noi contiene una potente soluzione per rendere l’agricoltura più sostenibile. I ricercatori della Stanford University e della King Fahd University of Petroleum and Minerals in Arabia Saudita hanno sviluppato un prototipo di dispositivo in grado di produrre ammoniaca – un ingrediente chiave dei fertilizzanti – utilizzando l’energia eolica per aspirare l’aria attraverso una rete. L’approccio sviluppato, se perfezionato, potrebbe eliminare la necessità di un metodo vecchio di un secolo che produce ammoniaca combinando azoto e idrogeno a pressioni e temperature elevate. Il vecchio metodo consuma il 2% dell’energia globale e contribuisce per l’1% alle emissioni annuali di anidride carbonica grazie alla sua dipendenza dal gas naturale.
Lo studio, pubblicato il 13 dicembre in Progressi della scienzaha comportato la prima dimostrazione della tecnologia in loco, anziché in laboratorio. I ricercatori prevedono un giorno di integrare il dispositivo nei sistemi di irrigazione, consentendo agli agricoltori di generare fertilizzante direttamente dall’aria.
“Questa svolta ci consente di sfruttare l’azoto presente nella nostra aria e produrre ammoniaca in modo sostenibile”, ha affermato l’autore senior dello studio Richard Zare, professore di scienze naturali alla Stanford School of Humanities and Sciences di Marguerite Blake Wilbur. “È un passo significativo verso un approccio decentralizzato ed ecologico all’agricoltura”.
Un’alternativa più pulita
In preparazione alla progettazione del loro dispositivo, i ricercatori hanno studiato come diversi fattori ambientali – come umidità, velocità del vento, livelli di sale e acidità – influenzano la produzione di ammoniaca. Hanno anche esaminato l’impatto sul processo della dimensione delle gocce d’acqua, della concentrazione della soluzione e del contatto dell’acqua con materiali che non si dissolvono nell’acqua. Infine, hanno testato la migliore miscela di ossido di ferro e un polimero acido con fluoro e zolfo per determinare le condizioni ideali per la produzione di ammoniaca e capire come questi materiali catalizzatori interagiscono con le gocce d’acqua.
Il processo del team di Stanford produce ammoniaca in modo pulito ed economico e utilizza l’aria circostante per ottenere azoto e idrogeno dal vapore acqueo. Facendo passare l’aria attraverso una rete rivestita di catalizzatori per facilitare la reazione necessaria, i ricercatori hanno prodotto abbastanza ammoniaca con una concentrazione sufficientemente elevata da fungere da fertilizzante idroponico nelle serre. A differenza dei metodi tradizionali, la nuova tecnica funziona a temperatura ambiente e pressione atmosferica standard, senza richiedere il collegamento di alcuna fonte di tensione esterna alla rete. Gli agricoltori potrebbero utilizzare il dispositivo portatile in loco, eliminando la necessità di acquistare e spedire fertilizzante da un produttore.
“Questo approccio riduce significativamente l’impronta di carbonio della produzione di ammoniaca”, ha affermato l’autore principale dello studio Xiaowei Song, ricercatore chimico a Stanford.
Negli esperimenti di laboratorio, il team ha dimostrato un ulteriore potenziale riciclando l’acqua attraverso un sistema di spruzzatura, ottenendo concentrazioni di ammoniaca sufficienti a fertilizzare le piante coltivate in una serra dopo sole due ore. Incorporando un filtro realizzato con un materiale lapideo microporoso, questo approccio potrebbe produrre abbastanza ammoniaca per supportare applicazioni agricole più ampie.
Un futuro senza combustibili fossili
Mancano due o tre anni prima che il dispositivo sia pronto per il mercato, secondo il coautore dello studio Chanbasha Basheer della King Fahd University of Petroleum and Minerals. Nel frattempo, i ricercatori prevedono di utilizzare sistemi a maglie sempre più grandi per produrre più ammoniaca. “C’è molto spazio per sviluppare questo”, ha detto Basheer.
L’importanza dell’ammoniaca va oltre i fertilizzanti. Essendo un vettore energetico pulito, può immagazzinare e trasportare energia rinnovabile in modo più efficiente rispetto al gas idrogeno grazie alla sua maggiore densità energetica. L’innovazione posiziona l’ammoniaca come un fulcro nei settori di decarbonizzazione come il trasporto marittimo e la produzione di energia.
“L’ammoniaca verde rappresenta una nuova frontiera nella sostenibilità”, ha affermato Zare. “Questo metodo, se potesse essere ampliato economicamente, potrebbe ridurre drasticamente la nostra dipendenza dai combustibili fossili in più settori”.
Lo studio è stato finanziato dall’Ufficio per la ricerca scientifica dell’aeronautica americana e dalla King Fahd University of Petroleum and Minerals.
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