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Nuove prospettive nel campo dell’energia solare

La capacità di trasferire l’energia assorbita senza dissiparla in calore consiste in un’efficiente cattura della luce e sarà misurabile nelle diverse fasi di studio e progettazione di nuovi sistemi.

Pubblicato il 2 aprile 2012

Progettare sistemi fotovoltaici più efficaci misurando già in fase di progettazione l’efficienza che essi avranno nel trasferire la luce assorbita all’elemento che la trasformerà in voltaggio. Sarà possibile grazie ad una ricerca pubblicata sulla rivista scientifica “Nature Chemistry” condotta da Matteo Ballottari e Roberto Bassi del dipartimento di Biotecnologie diretto da Giovanni Vallini dell’Università di Verona in collaborazione con Gabriela S. Schlau-Cohen e Graham R. Fleming dell’Università di Berkeley.

La scoperta apre la via alla progettazione di nuovi sistemi più efficienti nello sfruttamento della luce solare, sia alghe ingegnerizzate sia pannelli fotovoltaici nei laboratori di biologia molecolare e di nanotecnologie. L’efficienza nella cattura della luce è la capacità di trasferire l’energia assorbita senza dissiparla in calore e potrà ora essere misurata durante le molte fasi di studio e progettazione di nuovi sistemi, evitando di procedere alla cieca per tutto il processo in attesa di poter verificare la performance del prodotto finale.

I meccanismi alla base della “cattura” della luce solare. “Uno dei maggiori problemi che incontrano i sistemi fotosintetici, siano essi naturali come piante e alghe o artificiali come i pannelli fotovoltaici, consiste nel fatto che la luce solare, pur essendo straordinariamente abbondante e diffusa su tutta la superficie terrestre, è però diluita”, spiegano i due ricercatori dell’ateneo scaligero. “Per usarla con un minimo di efficienza è necessario concentrarla, il che viene fatto dalle “antenne”, ovvero le proteine che legano delle molecole colorate, le clorofille. Ognuna di queste clorofille assorbe i fotoni e trasferisce l’energia ad altre clorofille vicine fino a che i centri di reazione non trasformano questa energia in un voltaggio elettrico”.

Fenomeni molto simili avvengono nei pannelli fotovoltaici. “La possibilità di assorbire tutti (o quasi) i fotoni”, precisano i ricercatori, “richiede che molte molecole di clorofilla siano messe una vicina all’altra. Purtroppo, la concentrazione causa l’inattivazione dell’antenna per il fatto che le molecole colorate, come la clorofilla, hanno elettroni debolmente legati che interagiscono con quelli delle molecole con cui vengono in contatto, creando calore invece che voltaggio. Il fenomeno è analogo al “corto circuito” che si crea quando due circuiti elettrici non isolati vengono a contatto. Le alghe e le piante hanno superato il problema legando le molecole colorate a delle proteine in una maniera estremamente precisa che consente contemporaneamente l’isolamento delle molecole e il trasferimento dell’energia fino ai centri di reazione che creano il voltaggio. Il segreto sta proprio nel modo “coerente” in cui i quanti di energia associati alle clorofille vengono trasferiti, distribuendoli tra diverse molecole adiacenti e trasferendoli, mantenendo la fase della loro componente elettromagnetica. Ciò evita fenomeni di interferenza e di perdita di energia, incrementando così l’efficienza di raccolta della luce”.

Nel 2008 e 2011 lo stesso gruppo di ricerca “Berkeley – Verona”, aveva chiarito l’altra metà del problema della raccolta dell’energia luminosa: il fenomeno della dissipazione termica, che viene utilizzato dalle piante e dalle alghe per difendersi dall’eccesso di luce, nelle ore centrali della giornata.

Lo studio dimostra per la prima volta che l’energia solare assorbita si propaga tra le diverse clorofille legate alla proteina in modo coerente e dimostra che è possibile quantificare il grado di coerenza usando laser superveloci e trattando i dati con un nuovo sistema di analisi. Finora risultati simili erano stati ottenuti solo per evidenza indiretta e su sistemi batterici che non possono essere usati per la produzione di bio-combustibili. Con questo nuovo contributo il quadro generale che regola i fenomeni della trasformazione della luce solare in biomassa appare meglio definito e la tecnologia può ora utilizzarlo per ingegnerizzare organismi fotosintetici e pannelli solari al fine di produrre i combustibili del futuro. I pannelli solari di ultima generazione non saranno più basati su celle solari al silicio come avviene ora, ma sulla fotosintesi clorofilliana, attraverso la creazione di proteine artificiali in grado di riprodurre il meccanismo attivato in natura dalle clorofille.

Università di Verona: www.univr.it
Università di Berkeley: berkeley.edu
 

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