Un team internazionale che include ricercatori dell’Università di Toronto ha progettato e implementato un nuovo modello per fotoreattoriuna tecnologia a energia solare per convertire acqua, anidride carbonica, metano e azoto in prodotti chimici e combustibili più ecologici.
Strutture dei fotoreattori. Credito immagine: Istituto di tecnologia di Karlsruhe
Il design innovativo consente al fotoreattore di catturare fotoni ad alta efficienza in diverse direzioni del sole, eliminando la necessità di inseguimento solare.
I pannelli sono anche realizzabili tramite estrusione di polimeri, il che li rende poco costosi e facilmente realizzabili su larga scala, il che potrebbe contribuire a rendere un futuro sostenibile più conveniente e pratico.
Geoffrey Ozin, Professore universitario nel dipartimento di chimica di U of T presso la Facoltà di Arti e Scienze, e la sua squadra ha collaborato con i ricercatori del Istituto di tecnologia di Karlsruhe (KIT) in Germania sul progetto.
“Le celle solari sono famose per convertire in modo efficiente ed economico la luce solare in elettricità verde, aggirando l’uso di combustibili fossili che emettono gas serra”, afferma Ozin.
L’energia solare può essere elaborata in diversi modi – foto illustrativa. Credito immagine: Larisa-K tramite pixabay.com, dominio pubblico CC0.
A differenza dei termoreattori, i fotoreattori combinano i fotoni della luce solare e i reagenti per generare sostanze chimiche e combustibili verdi. Utilizzando luce solare e acqua, i fotoreattori potrebbero ridurre efficacemente le emissioni di carbonio.
Nonostante il loro potenziale, molti fotoreattori sono stati afflitti da diverse sfide, tra cui l’alto costo dei materiali da costruzione. Possono anche essere inefficienti nel convertire i fotoni in prodotti. Per creare queste conversioni fotochimiche, i fotoreattori si affidano a un fotocatalizzatore, un materiale che assorbe la luce e converte un reagente in un prodotto.
Tuttavia, i processi non produttivi dovuti alla riflessione, diffusione, trasmissione e assorbimento della luce da parte del fotocatalizzatore e dei materiali del fotoreattore possono causare perdite di energia.
I fotoreattori trarrebbero vantaggio dal tracciamento solare, un dispositivo che regola l’angolo del fotoreattore rispetto alla posizione del sole per una raccolta ottimale della luce.
Per essere tecnologicamente ed economicamente sostenibile, l’efficienza di conversione da fotone a prodotto dei fotoreattori deve essere almeno del 10%.
Mentre la scienza dell’integrazione dei fotocatalizzatori nei fotoreattori negli ultimi dieci anni per produrre prodotti chimici e combustibili verdi ha prodotto progressi significativi, le efficienze sono rimaste basse, spesso l’uno per cento o meno.
Il team di Ozin e il gruppo del KIT – che comprendeva il ricercatore post-dottorato Paul Kant, il dottorando Shengzhi Liang, il ricercatore Michael Rubin e il professor Roland Dittmeyer – hanno sviluppato un fotoreattore simile a un pannello che contiene centinaia di canali di reazione su microscala paralleli.
Di recente hanno pubblicato un documento sui risultati promettenti del loro modello proposto nel diario Joule.
Una caratteristica fondamentale del loro design è che ciascun canale di reazione è collegato a un’unità di cattura della luce a forma di V che guida la luce nel canale in cui si trova il fotocatalizzatore. Tutte le superfici sono altamente riflettenti per ottimizzare il trasporto dei fotoni dalla sorgente luminosa esterna al fotocatalizzatore alloggiato nei microcanali con minime perdite di luce.
Il design innovativo consente al fotoreattore di catturare fotoni ad alta efficienza in diverse direzioni del sole, eliminando la necessità di inseguimento solare. I pannelli sono anche realizzabili tramite estrusione di polimeri, rendendoli poco costosi e facilmente realizzabili su larga scala.
Futuri adattamenti progettuali possono affrontare il problema della luce solare intermittente utilizzando diodi emettitori di luce integrati nel fotoreattore come sorgente di fotoni, alimentati da elettricità rinnovabile dal fotovoltaico e supportati da accumulatori di batterie agli ioni di litio per fornire operazioni 24 ore su 24, 7 giorni su 7.
Illustrazione del modello del fotoreattore, posizionabile sui tetti; in alto a sinistra i pannelli del fotoreattore; in alto a destra mostra i concentratori a forma di V dei fotoreattori e la cavità a forma di tubo. Credito immagine: Università di Toronto / Karlsruhe Institute of Technology
Il nuovo modello di fotoreattori può superare i fotoreattori all’avanguardia esistenti e può essere utilizzato sui tetti delle case e dei parchi solari, nonché essere integrato con il fotovoltaico per produrre sia elettricità rinnovabile che prodotti chimici e combustibili verdi.
“Questa tecnologia ha ispirato lo sviluppo di una nuova generazione di dispositivi a energia solare che invece producono carburanti verdi come l’idrogeno dalla luce solare e dall’acqua”, afferma Ozin.
Il progresso arriva in un momento in cui la necessità di combattere il cambiamento climatico è più urgente che mai, con temperature da record segnate in tutto il mondo quest’estate.
“Questi prodotti solari sostituiranno i loro analoghi a base fossile e contribuiranno a ridurre la nostra impronta di carbonio”, afferma Kant, ricercatore di KIT.
“Questo aumenta direttamente le possibilità che saremo in grado di raggiungere il sogno di un’umanità che vive in modo sostenibile. Si spera che ce la faremo anche in tempo, senza drastici sbalzi di temperatura e relativi disastri”.
Fonte: Università di Toronto
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
