Una nuova fonte sostenibile di energia pulita potrebbe provenire da un'inaspettata combinazione: lattine di bevande gassate usate e acqua di mare. Ingegneri del MIT hanno, infatti, scoperto che quando l'alluminio delle lattine viene esposto in forma pura e mescolato con acqua marina, la soluzione produce naturalmente idrogeno, un gas che può essere utilizzato per alimentare motori o celle a combustibile senza generare emissioni di carbonio.
Sorprendentemente, questa semplice reazione può essere accelerata aggiungendo un comune stimolante: la caffeina.
In uno studio pubblicato sulla rivista Cell Reports Physical Science, i ricercatori dimostrano di poter produrre idrogeno immergendo piccoli pellet di alluminio pretrattato in un becher di acqua di mare filtrata. L'alluminio viene pretrattato con una lega di metalli rari che lo "pulisce" in una forma pura in grado di reagire con l'acqua marina per generare idrogeno.
Gli ioni salini nell'acqua di mare possono a loro volta attrarre e recuperare la lega, che può essere riutilizzata per generare altro idrogeno, in un ciclo sostenibile.
Una reazione accelerata dalla caffeina
Il team ha scoperto che questa reazione tra alluminio e acqua di mare produce con successo idrogeno gassoso, anche se lentamente. Per caso, hanno aggiunto del caffè macinato al mix e hanno scoperto, con sorpresa, che la reazione accelerava notevolmente.
Alla fine, i ricercatori hanno scoperto che una bassa concentrazione di imidazolo - un ingrediente attivo della caffeina - è sufficiente per velocizzare significativamente la reazione, producendo la stessa quantità di idrogeno in soli cinque minuti, rispetto alle due ore necessarie senza lo stimolante aggiunto.
Applicazioni pratiche della scoperta
I ricercatori stanno sviluppando un piccolo reattore che potrebbe funzionare su un'imbarcazione marina o un veicolo subacqueo. Il reattore conterrebbe una scorta di pellet di alluminio (riciclati da vecchie lattine e altri prodotti in alluminio), insieme a una piccola quantità di gallio-indio e caffeina.
Questi ingredienti potrebbero essere periodicamente convogliati nel reattore, insieme a un po' di acqua di mare circostante, per produrre idrogeno su richiesta. L'idrogeno potrebbe quindi alimentare un motore di bordo per azionare un motore o generare elettricità per alimentare la nave.
Aly Kombargi, autore principale dello studio e dottorando presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT, spiega:
"Questo è molto interessante per applicazioni marittime come barche o veicoli subacquei perché non sarebbe necessario trasportare acqua di mare - è prontamente disponibile. Inoltre, non dobbiamo trasportare un serbatoio di idrogeno. Invece, trasporteremmo l'alluminio come 'carburante' e aggiungeremmo semplicemente acqua per produrre l'idrogeno di cui abbiamo bisogno."
Superare gli ostacoli dell'idrogeno come fonte di energia
L'idrogeno è considerato una fonte di energia "verde" che potrebbe alimentare motori e celle a combustibile senza generare emissioni che contribuiscono al riscaldamento climatico. Tuttavia, uno svantaggio nell'alimentare i veicoli con idrogeno è che alcuni progetti richiederebbero che il gas fosse trasportato a bordo come la tradizionale benzina in un serbatoio - una configurazione rischiosa, dato il potenziale volatile dell'idrogeno.
Il team del MIT, guidato dal professor Douglas Hart, ha invece cercato modi per alimentare i veicoli con idrogeno senza dover trasportare costantemente il gas stesso. Hanno trovato una possibile soluzione nell'alluminio - un materiale naturalmente abbondante e stabile che, a contatto con l'acqua, subisce una semplice reazione chimica che genera idrogeno e calore.
La reazione, tuttavia, presenta una sorta di paradosso: mentre l'alluminio può generare idrogeno quando si mescola con l'acqua, può farlo solo in uno stato puro ed esposto. Non appena l'alluminio entra in contatto con l'ossigeno, come nell'aria, la superficie forma immediatamente un sottile strato di ossido simile a uno scudo che impedisce ulteriori reazioni.
Una soluzione innovativa
Nel loro lavoro precedente, utilizzando acqua dolce, il team ha scoperto di poter perforare lo scudo dell'alluminio e mantenere attiva la reazione con l'acqua pretrattando l'alluminio con una piccola quantità di lega di metalli rari composta da una specifica concentrazione di gallio e indio.
La lega funge da "attivatore", eliminando qualsiasi accumulo di ossido e creando una superficie di alluminio pura libera di reagire con l'acqua. Quando hanno eseguito la reazione in acqua dolce deionizzata, hanno scoperto che un pellet pretrattato di alluminio produceva 400 millilitri di idrogeno in soli cinque minuti.
Tuttavia, per scalare ulteriormente il sistema sarebbe necessaria una fornitura significativa di gallio-indio, che è relativamente costoso e raro. Per rendere l'idea economicamente vantaggiosa e sostenibile, il team ha dovuto lavorare sul recupero di questa lega dopo la reazione.
L'acqua di mare come soluzione
Nel loro nuovo lavoro, i ricercatori hanno scoperto di poter recuperare e riutilizzare il gallio-indio utilizzando una soluzione di ioni. Gli ioni - atomi o molecole con una carica elettrica - proteggono la lega metallica dalla reazione con l'acqua e la aiutano a precipitare in una forma che può essere raccolta e riutilizzata.
Kombargi spiega: "Fortunatamente per noi, l'acqua di mare è una soluzione ionica molto economica e disponibile". Ha testato l'idea con acqua di mare prelevata da una spiaggia vicina, filtrando alghe e sabbia, aggiungendo alluminio e ottenendo risultati coerenti.
Tuttavia, la reazione avveniva molto più lentamente rispetto all'acqua dolce. Si è scoperto che gli ioni nell'acqua di mare agiscono per proteggere il gallio-indio, in modo che possa coagulare ed essere recuperato dopo la reazione. Ma gli ioni hanno un effetto simile sull'alluminio, creando una barriera che rallenta la sua reazione con l'acqua.
Il ruolo chiave della caffeina
Cercando modi per accelerare la reazione nell'acqua di mare, i ricercatori hanno provato vari ingredienti non convenzionali. Hanno scoperto che aggiungendo fondi di caffè all'acqua di mare e immergendovi i pellet di alluminio, la reazione era piuttosto rapida rispetto alla sola acqua di mare.
I ricercatori ritengono di avere gli ingredienti essenziali per far funzionare un reattore a idrogeno sostenibile. Hanno calcolato che un tale reattore, contenente circa 18 kg di pellet di alluminio, potrebbe alimentare un piccolo aliante subacqueo per circa 30 giorni pompando l'acqua di mare circostante e generando idrogeno per alimentare un motore.
[Foto di copertina: Foto di James Yarema via Unsplash]