Una membrana ispirata ai polmoni per ricavare energia dall'acqua

Respirare è l'atto più naturale e spontaneo al mondo - lo facciamo circa ventimila volte al giorno, per un totale di 11 mila litri di gas scambiati in 24 ore - eppure è un meccanismo estremamente complesso e - per alcune categorie di scienziati - anche una fonte di ispirazione.

Un gruppo di ingegneri chimici della Stanford University ha guardato ai polmoni dei mammiferi per ideare un meccanismo che ricavi idrogeno dall'acqua in modo efficiente ed economico, e che potrebbe dare una decisa spinta in avanti alle tecnologie per l'energia pulita. Quello descritto in un articolo scientifico pubblicato su Joule è un elettrocatalizzatore - cioè un materiale che incrementa le reazioni chimiche a un elettrodo senza essere consumato nel processo - in grado di separare l'acqua in molecole di idrogeno e di ossigeno e di riutilizzare l'ossigeno come carburante per la catalisi stessa.

Obiettivo ambizioso. L'idea di ricavare dall'acqua un vettore energetico, cioè un elemento che, come l'idrogeno, veicoli l'energia da una forma ad un'altra (pur non essendo una fonte diretta di energia, disponibile in natura) circola da diversi anni, ma il problema è sempre stato la mancanza di efficienza. L'energia che occorre per separare idrogeno e ossigeno nell'acqua è maggiore della quantità di energia generata nel processo. Il nuovo metodo ispirato ai polmoni non solo li separa in uno stesso sistema, ma riutilizza l'ossigeno per alimentare il meccanismo.

Biomimetica. Il tentativo qui effettuato prevede di imitare il meccanismo di scambio gassoso in due direzioni che nel nostro corpo avviene all'interno degli alveoli polmonari, le minuscole sacche d'aria che costituiscono le unità di base del nostro sistema respiratorio. Gli alveoli permettono all'ossigeno che inaliamo di diffondersi attraverso di essi fino al circolo sanguigno, e fanno sì che l'anidride carbonica prodotta durante la respirazione cellulare passi attraverso di essi per poi essere espirata.

La speciale membrana degli alveoli, che repelle le molecole di ossigeno su di un lato (l'interno) e le attrae sull'altro (l'esterno), fa in modo che lo scambio di gas avvenga in modo efficiente e senza la formazione di pericolose "bolle", che potrebbero finire nella circolazione sanguigna.

I primi risultati. Gli scienziati di Stanford hanno incorporato una membrana ultrasottile in polietilene ispirata alla struttura degli alveoli polmonari nel loro sistema, e sono riusciti da un lato a estrarre idrogeno dall'acqua in modo efficiente (con un processo che mima l'espirazione), dall'altra a riutilizzare l'ossigeno ottenuto per sostenere i costi energetici della reazione (con un meccanismo che genera energia consumando ossigeno, e che imita l'inspirazione).

Anche se il meccanismo è ancora in fase iniziale e ben lontano dalla commercializzazione, la speranza è che possa un giorno servire ad alimentare celle a combustibile, che ottengono energia elettrica tipicamente da idrogeno e ossigeno, o le batterie metallo-aria, che producono energia a zero emissioni, attraverso l'ossidazione di un metallo con ossigeno atmosferico.