La chimica catalitica al centro della transizione verso l’energia verde
Il plasma, che è considerato il quarto stato della materia(si apre in una nuova finestra) dopo il solido, il liquido e il gassoso, è un gas surriscaldato in cui gli atomi vengono scissi in elettroni liberi e ioni positivi. Pulsando (modulando) rapidamente la potenza in ingresso su una scala che va dai nanosecondi ai microsecondi, è possibile controllare con precisione la produzione di questi elettroni ad alta energia; inoltre, le molecole di gas circostanti vengono mantenute fredde, il che consente di massimizzare l’efficienza chimica ed energetica. Questo metodo avanzato di eccitazione elettrica, noto come plasma a modulazione rapida, è in grado di generare processi a plasma freddo o a plasma non termico (NTP, non-thermal plasma)(si apre in una nuova finestra), che possono essere utilizzati per la conversione chimica di piccole molecole a bassa reattività quali l’anidride carbonica, l’azoto biatomico, il metano e l’acqua, a temperature e pressioni prossime a quelle ambientali. Ciononostante, è necessario un catalizzatore per controllare queste reazioni e produrre in modo selettivo i composti desiderati, il che richiede tuttavia un nuovo approccio, poiché il catalizzatore può anche arrestare la reazione delle molecole attivate dal plasma, anziché interagire con esse.
Un minor impatto ambientale
Il progetto SCOPE(si apre in una nuova finestra), finanziato dal CER, ha affrontato questa sfida studiando, modellando e applicando l’interazione sinergica tra l’NTP e i catalizzatori solidi, una combinazione che crea un effetto superiore alla somma dei singoli effetti. Il vantaggio offerto dai processi NTP è che consentono di effettuare operazioni in condizioni molto blande rispetto ai processi catalitici termici convenzionali. La tecnologia è inoltre particolarmente adatta all’accoppiamento con le energie rinnovabili e, di conseguenza, all’elettrificazione dei processi chimici. Il progetto SCOPE ha utilizzato l’NTP, che presenta un’impronta di carbonio molto più bassa (fino a oltre il 90 %), in tre principali reazioni industriali, ovvero la fissazione dell’azoto, la valorizzazione del metano per produrre idrocarburi a catena carboniosa più lunga e la conversione dell’anidride carbonica in combustibili solari liquidi. «Abbiamo sviluppato, ad esempio, nuovi processi volti a produrre fertilizzanti in modo distribuito a partire dall’azoto atmosferico», afferma Gabriele Centi, coordinatore del progetto e ricercatore presso l’Università di Messina(si apre in una nuova finestra). «I fertilizzanti sintetici sono essenziali per la sicurezza alimentare globale, in quanto forniscono l’azoto necessario alla coltivazione del cibo destinato a quasi metà della popolazione mondiale.»
Un’ampia applicabilità in diversi settori
Sebbene SCOPE si sia concentrato sul miglioramento dei processi chimici su larga scala, la tecnologia specifica ha applicazioni che vanno ben oltre l’industria chimica. «Il plasma freddo è incredibilmente versatile e può contribuire a rendere più sostenibili la produzione manifatturiera, l’agricoltura, il settore sanitario, il campo della tutela ambientale e persino l’industria alimentare», osserva Centi. In agricoltura, ad esempio, il plasma freddo può essere utilizzato per trattare i semi prima che vengano piantati. «Questo processo che non impiega sostanze chimiche migliora l’assorbimento idrico, aumenta i tassi di germinazione e favorisce una crescita iniziale più vigorosa delle piante, aiutando gli agricoltori ad aumentare le rese colturali riducendo al contempo la necessità di impiegare trattamenti chimici», aggiunge Centi. Nel settore del legno, invece, il trattamento al plasma rende le superfici del legname più ricettive ai rivestimenti protettivi. «In tal modo, i produttori possono ottenere lo stesso livello di protezione utilizzando una quantità significativamente inferiore di materiale di rivestimento, riducendo sia i costi che l’impatto ambientale», continua Centi.
Un futuro brillante
Il plasma trova applicazione anche nella produzione alimentare, influenzando la formazione dei cristalli in materiali come il cioccolato per ottenere un prodotto con maggiore lucentezza, una consistenza migliore e quella caratteristica “croccantezza” che i consumatori si aspettano: questo risultato può ora essere ottenuto in pochi minuti, anziché nelle ore richieste dai metodi di tempera convenzionali. Si stanno esplorando approcci simili per la sterilizzazione delle attrezzature mediche, lo sviluppo di nuovi materiali, la depurazione di aria e acqua(si apre in una nuova finestra) inquinate e il miglioramento dell’efficienza energetica nella produzione. «Ciò che rende il plasma freddo particolarmente interessante è che consente di eseguire molti di questi processi con un minor consumo energetico e un minor impiego di sostanze chimiche, motivo per cui risulta una tecnologia importante per garantire un futuro più sostenibile», conclude Centi.
