Invece di fare affidamento su reattori assetati di energia per generare alte temperature e pressioni, i ricercatori stanno cercando nel sottosuolo il calore naturale della Terra e le forze per cuocere l’ammoniaca come fertilizzante. In uno studio dimostrativo, pubblicato il 21 gennaio sulla rivista Cell Press Joule, i ricercatori hanno generato ammoniaca mescolando acqua arricchita di azoto con rocce ricche di ferro, senza alcun apporto di energia o CO2.2 emissione. Questa nuova ricetta potrebbe portare a un’alternativa più sostenibile ai metodi attuali, producendo teoricamente abbastanza ammoniaca per 2,42 milioni di anni.
L’idea nasce da un insolito fenomeno geologico osservato negli anni ’80 in Mali, nell’Africa occidentale. La gente del posto ha scoperto un pozzo in cui scorreva gas idrogeno, che gli scienziati hanno successivamente ricondotto a una reazione chimica tra acqua e roccia sotto la superficie terrestre.
“È stato un momento ‘aha’”, afferma l’autore senior Iwnetim Abate del Massachusetts Institute of Technology (MIT). “Potremmo essere in grado di utilizzare la Terra come una fabbrica, sfruttando il suo calore e la sua pressione per produrre sostanze chimiche preziose come l’ammoniaca in modo più pulito”.
L’ammoniaca è un ingrediente chiave nei fertilizzanti e potrebbe un giorno alimentare il futuro come combustibile pulito, ma la produzione industriale di ammoniaca di oggi richiede molta energia. Consuma circa il 2% dell’energia globale e rilascia circa 2,4 tonnellate (5.291 libbre) di CO2 per ogni tonnellata (2.204 libbre) di ammoniaca prodotta, rendendola la principale CO2 dell’industria chimica2 emettitore.
Per testare la loro idea della “fabbrica della Terra”, Abate e il suo team hanno costruito un sistema di reazione roccia-acqua che imita l’ambiente sotterraneo della Terra. Hanno esposto minerali sintetici ricchi di ferro all’acqua arricchita di azoto, innescando una reazione chimica che ha ossidato la roccia e prodotto ammoniaca, che il team ha soprannominato “ammoniaca geologica”. Il processo non richiedeva alcun apporto di energia, né emetteva CO2e ha funzionato anche in condizioni ambientali.
Il team ha poi sostituito il minerale sintetico con l’olivina, una roccia naturale ricca di ferro, per imitare meglio gli scenari del mondo reale. Hanno ulteriormente ottimizzato il processo aggiungendo un catalizzatore di rame e portando il calore a 300°C (572°F). Entro 21 ore, hanno prodotto circa 1,8 kg (4 libbre) di ammoniaca per tonnellata (2.204,6 libbre) di olivina, dimostrando la fattibilità e la sostenibilità del metodo.
“Queste rocce si trovano in tutto il mondo, quindi il metodo potrebbe essere adattato in modo molto ampio in tutto il mondo”, afferma Abate. Tuttavia, “c’è tutto un altro livello di complessità su cui dovremo lavorare”. L’implementazione comporterà la perforazione di rocce ricche di ferro nelle profondità della Terra, l’iniezione di acqua arricchita di azoto e la complessità di come le rocce si spezzano, si espandono e interagiscono con gas e liquidi.
Le prospettive economiche dell’idea sono incoraggianti. La produzione di ammoniaca geologica costa circa 0,55 dollari al chilogrammo (2,2 libbre), alla pari con i metodi convenzionali al prezzo di 0,40-0,80 dollari. La ricerca potrebbe anche aprire nuove strade per affrontare l’inquinamento delle acque reflue.
“Le fonti di azoto sono considerate un inquinamento delle acque reflue e la loro rimozione costa denaro ed energia”, afferma il primo autore Yifan Gao del MIT. “Ma potremmo essere in grado di utilizzare le acque reflue per produrre ammoniaca. È una strategia vantaggiosa per tutti.” L’integrazione del trattamento delle acque reflue con la produzione di ammoniaca potrebbe produrre un profitto aggiuntivo di 3,82 dollari per chilogrammo di ammoniaca.
“L’ammoniaca è piuttosto importante per la vita”, afferma l’autore senior Ju Li del MIT. A parte i microbi, l’unico altro modo naturale per produrre ammoniaca sulla Terra è attraverso il fulmine che colpisce il gas azoto. “Ecco perché la produzione geologica dell’ammoniaca è piuttosto interessante se si pensa all’origine della vita.”
Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation.
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