Un team internazionale che include ricercatori dell’Università di Toronto ha progettato e implementato un nuovo modello per i fotoreattori, una tecnologia alimentata dal sole in grado di convertire acqua, anidride carbonica, metano e azoto in carburanti ecologici.
Il design innovativo consente al fotoreattore di catturare fotoni con alta efficienza sotto diverse direzioni solari, eliminando la necessità di inseguire la luce diretta del sole. I pannelli sono realizzabili mediante estrusione di polimeri, rendendoli economici e facilmente prodotti su larga scala, il che potrebbe contribuire a rendere il futuro energetico sostenibile più accessibile e pratico.
Geoffrey Ozin, professore universitario nel dipartimento di chimica dell’Università di Toronto nella Facoltà di Arti e Scienze, e il suo team hanno collaborato con ricercatori del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) in Germania per il progetto.
A differenza dei termoreattori, i fotoreattori combinano i fotoni della luce solare con i reagenti per generare sostanze chimiche e carburanti ecologici. Utilizzando la luce solare e l’acqua, i fotoreattori potrebbero efficacemente ridurre le emissioni di carbonio.
Nonostante il loro potenziale, i fotoreattori finora realizzati sono stati afflitti da diverse sfide, tra cui l’alto costo dei materiali di costruzione. Inoltre i fotoreattori reallizzati fino ad oggi erano poco efficienti nella conversione dei fotoni prodotti.
Questo perchè, i processi dovuti alla riflessione, dispersione, trasmissione e assorbimento della luce da parte del fotocatalizzatore e dei materiali del fotoreattore possono causare perdite di energia. I fotoreattori traggono beneficio dall’inseguimento dei raggi solari, quindi servirebbe un dispositivo che regola l’angolo del fotoreattore rispetto alla posizione del sole per un’ottimale raccolta di luce.
Per essere tecnologicamente ed economicamente sostenibili, l’efficienza di conversione fotone-prodotto dei fotoreattori deve essere almeno del 10%. Nonostante i significativi progressi nell’integrazione dei fotocatalizzatori nei fotoreattori nell’ultimo decennio per la produzione di sostanze chimiche e carburanti ecologici, le efficienze sono rimaste basse, spesso dell’uno percento o meno.
Cosa cambia con questi nuovi fotoreattori
Il team di Ozin e il gruppo del KIT, che includeva il ricercatore post-dottorato Paul Kant, lo studente di dottorato Shengzhi Liang, il ricercatore scientifico Michael Rubin e il professore Roland Dittmeyer, hanno sviluppato un fotoreattore a pannelli che contiene centinaia di canali di reazione paralleli a scala micro. Hanno pubblicato un articolo sui promettenti risultati del loro modello proposto nella rivista Joule.
Un elemento chiave del loro nuovo design è che ogni canale di reazione è collegato a un’unità di cattura della luce a forma di V che guida la luce nel canale dove si trova il fotocatalizzatore. Tutte le superfici sono altamente riflettenti per ottimizzare il trasporto di fotoni dalla fonte di luce esterna al fotocatalizzatore alloggiato nei microcanali con perdite di luce minime.
Il design innovativo consente al fotoreattore di catturare fotoni con alta efficienza sotto diverse direzioni solari, eliminando la necessità di inseguire i raggi solari.
Adattamenti futuri del design possono affrontare anche il problema della luce solare intermittente utilizzando diodi luminosi integrati nel fotoreattore come fonte di fotoni, alimentati da energia rinnovabile da fotovoltaici oppure supportati da batterie al litio per fornire un funzionamento 24 ore su 24.
Il nuovo modello di fotoreattori può essere utilizzato sui tetti delle case e nelle centrali solari , nonché essere integrato con fotovoltaici per produrre sia elettricità rinnovabile che carburanti ecologici.
Questo progresso arriva in un momento in cui la necessità di combattere il cambiamento climatico è più urgente che mai, con temperature record registrate in tutto il mondo quest’estate.
“Questi prodotti contribuiranno a ridurre la nostra impronta di carbonio,” afferma il ricercatore del KIT, Kant.
“Questo aumenta direttamente le probabilità che saremo in grado di realizzare il sogno di una vita sostenibile per l’umanità. Speriamo che ci riusciremo in tempo, senza eccessivi aumenti di temperatura e disastri correlati.“
Conclusioni
I fotoreattori a basso costo e ad alta efficienza sono le chiavi essenziali per il successo della fotosintesi alimentata dal sole. All’interno di questo lavoro, viene introdotto un concetto di fotoreattori che garantiscono un’efficienza sufficientemente elevata senza la necessità di inseguire il sole e con bassi costi di fabbricazione e funzionamento.
La linea guida di progettazione proposta per la dimensione generale dei fotoreattori riflettenti a passaggio multiplo tiene conto di tutti i principali parametri di progettazione e agevola l’adattamento e lo sviluppo ulteriore dell’approccio di progettazione da parte di ricercatori e ingegneri nel campo della fotocatalisi e dell’ingegneria delle fotoreazioni.
Lo studio preliminare di fattibilità rivela un elevato potenziale economico a causa del costo estremamente basso dei fotoreattori. Tuttavia, c’è ancora molta strada da percorrere verso una razionale convivenza dell’umanità in società sostenibili.
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