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Creare sistemi fotovoltaici
efficienti secondo natura
ATTUALITÀ
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n.6 maggio 2012
Creare sistemi fotovoltaici più efficaci misurando
già in fase di progettazione l’efficienza che essi
avranno nel trasferire la luce assorbita all’elemen-
to che la trasformerà in voltaggio. Sarà possibile
grazie ad una ricerca condotta da Matteo Ballottari e Roberto
Bassi del dipartimento di Biotecnologie diretto da Giovanni
Vallini dell’Università di Verona in collaborazione con Gabrie-
la 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 che pannelli fotovoltaici nei laboratori
di biologia molecolare e di nanotecnologie. L’efficienza nella
cattura della luce è la capacità di trasferire l’energia assor-
bita senza dissiparla in calore e potrà ora essere misurata
durante le molte fasi di studio e progettazione di nuovi si-
stemi, evitando di procedere alla cieca per tutto il proces-
so in attesa di poter verificare la performance del prodotto
finale. “Uno dei maggiori problemi che incontrano i sistemi
fotosintetici, siano essi naturali come piante e alghe o artifi-
ciali 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 dal-
le ‘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 moleco-
le 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 vol-
taggio. 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 mo-
lecole colorate a delle proteine in una maniera estremamen-
te 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, distribuen-
doli tra diverse molecole adiacenti e trasferendoli mantenen-
do la fase della loro componente elettromagnetica. Ciò evita
fenomeni di interferenza e di perdita di energia, incrementan-
do così l’efficienza di raccolta della luce”.
Nel 2008 e 2011 lo stesso gruppo di ricerca “Berkeley – Ve-
rona”, 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 stu-
dio, pubblicato ora sulla rivista scientifica
Nature Chemistry
,
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 usa-
ti 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 atti-
vato in natura dalle clorofille.