In California, il sole ha la capacità di trasformarsi in un laboratorio senza necessità di autorizzazione. È sufficiente trascorrere alcune ore all’aperto, avvertire un leggero pizzicore sulla pelle e rendersi conto che qualcosa sta già accadendo molto prima di un arrossamento significativo. Da questo spunto è iniziata una ricerca interessante e concreta: sfruttare il comportamento di alcune molecole esposte alla luce per immagazzinare energia e successivamente rilasciarla sotto forma di calore, quasi come una piccola batteria termica ricaricabile.
Grace Han, chimica presso l’Università della California, Santa Barbara, proveniva dalla zona di Boston, dove la presenza del sole è diversa, più intermittente e meno intensa. In California ha iniziato a proteggersi con un cappello ampio, occhiali da sole e crema solare, mentre si dedicava alla lettura sulla fotochimica del DNA. L’aspetto interessante risiedeva proprio in questo: quando la radiazione ultravioletta colpisce alcune molecole nel DNA della pelle, queste possono modificare la loro forma, piegarsi e adottare una struttura più tesa rispetto a quella abituale. Alcuni organismi possiedono anche enzimi, come la fotoliasi, che aiutano a riparare certi danni causati dalla luce.
La chimica dell’energia ha cercato per anni qualcosa di simile: molecole in grado di modificare la loro forma sotto l’azione della luce, trattenere energia in una configurazione instabile e poi ritornare alla forma originale quando necessario, rilasciando calore. Questo campo è noto come accumulo solare termico molecolare, o MOST, dall’inglese Molecular Solar Thermal. Il principio è quasi meccanico: si carica la molecola con la luce, la si mantiene “in tensione”, quindi si utilizza un innesco per farle restituire l’energia accumulata. Nel lavoro pubblicato su Science, il team ha sviluppato una molecola organica modificata, un pirimidone, ispirata alla struttura del DNA e capace di immagazzinare energia nei legami chimici.
Il calore all’interno di una molecola
Il risultato più significativo è stato ottenuto in una fiala. La soluzione preparata dal gruppo di ricerca è stata in grado di rilasciare una quantità sufficiente di energia da far bollire rapidamente una piccola porzione d’acqua, circa mezzo millilitro secondo i dati associati allo studio. Sembra poco, e lo è se paragonato a un bollitore da cucina. Tuttavia, in laboratorio, ciò implica che l’energia non è solo un numero elegante su un grafico: genera calore osservabile, immediato e misurabile.
Il dato che ha suscitato maggiore interesse riguarda la densità energetica. Il sistema ha raggiunto circa 1,65 megajoule per chilogrammo, un valore molto elevato per questa categoria di tecnologie e superiore, in termini di grandezza gravimetrica, a quello indicato per una batteria agli ioni di litio standard. Il confronto deve essere fatto con cautela, poiché qui si parla di calore immagazzinato in una molecola, non di elettricità pronta per alimentare uno smartphone o un veicolo. Rimane comunque un passo significativo per un settore che finora ha avuto difficoltà a tradurre l’idea in prestazioni convincenti.
Esiste anche un aspetto meno evidente, ma cruciale: la modellazione al computer. Le analisi teoriche condotte con il gruppo di Kendall Houk, alla UCLA, hanno contribuito a comprendere perché quella molecola potesse trattenere tanta energia e mantenere stabilità a lungo nella forma caricata. In questo tipo di ricerca, la parte computazionale funge quasi da mappa: evita di procedere solo per tentativi, indica quali strutture possono funzionare meglio e segnala dove la molecola rischia di perdere energia troppo presto.
La promessa e l’ostacolo
L’obiettivo finale è molto meno romantico del sole sulla pelle: decarbonizzare il calore. Riscaldare abitazioni, acqua e processi industriali rappresenta una delle sfide più complesse della transizione energetica. Secondo l’Agenzia internazionale dell’energia, il calore costituisce quasi la metà dei consumi finali globali e nel 2024 era responsabile del 37% delle emissioni energetiche di CO2. Per questo motivo, un sistema in grado di immagazzinare energia solare in forma chimica e rilasciarla come calore è di grande interesse, più di quanto possa sembrare a prima vista.
La differenza rispetto ai combustibili fossili risiede nel gesto iniziale. Anche gas, petrolio e carbone sono forme di energia chimica accumulata. Tuttavia, per utilizzarli è necessario bruciare qualcosa. Nei sistemi MOST, almeno nella visione più ambiziosa, la molecola assorbe luce, conserva energia e poi restituisce calore senza combustione. In teoria, potrebbe farlo ripetutamente, come una batteria ricaricabile per il calore. Inoltre, una tecnologia di questo tipo potrebbe essere prodotta e utilizzata in molte località, senza dipendere da giacimenti concentrati in poche aree del pianeta. La recente crisi nello Stretto di Hormuz ha evidenziato quanto una rotta marittima possa influenzare l’energia globale quando petrolio e gas devono attraversare passaggi ristretti e politicamente instabili.
Il fascino dell’energia solare molecolare risiede anche nei tempi di conservazione. Il calore immagazzinato come calore tende a disperdersi: può durare ore, giorni e, in alcuni sistemi, anche mesi. Una molecola caricata, se sufficientemente stabile, può trattenere energia per periodi molto più lunghi. Alcuni ricercatori del settore parlano addirittura di anni o decenni, almeno come possibilità teorica per certi sistemi. Qui si comprende perché l’idea continui a suscitare l’interesse di chimici e fisici dei materiali, anche se il campo rimane piccolo, quasi artigianale rispetto all’industria delle batterie.
Tuttavia, i problemi sono significativi. Il sistema del gruppo di Han si attiva con luce a 300 nanometri, ovvero ultravioletto piuttosto intenso. Una parte di questa radiazione proviene dal Sole, ma in quantità limitate sulla superficie terrestre. Per diventare pratico, il materiale dovrebbe rispondere meglio alla luce naturale disponibile o essere adattato a lunghezze d’onda più facili da sfruttare. Un altro aspetto critico riguarda l’innesco utilizzato per liberare calore: nello studio viene impiegato l’acido cloridrico, una sostanza corrosiva che deve poi essere neutralizzata. Funziona in laboratorio, ma in un contesto domestico o in un impianto reale complicherebbe notevolmente tutto.
Esiste anche una questione molto fisica: la luce deve raggiungere le molecole. Se lo strato del materiale è troppo spesso, la radiazione penetra solo in superficie, lasciando il resto inutilizzato. Alcune stime ottimistiche indicano che pochi millimetri di spessore siano utili. Inoltre, quando il sistema è liquido, è necessario spostarlo, pomparlo e farlo circolare tra una zona di carica e una zona di rilascio del calore. Ogni pompa, tubo e valvola comporta costi, manutenzione e possibili guasti. La chimica può essere brillante, ma l’impianto deve poi resistere alle condizioni reali.
Per questo motivo, diversi gruppi stanno lavorando anche a versioni solide dell’accumulo solare molecolare. L’idea più immediata è quella di rivestimenti trasparenti, magari applicati alle finestre: materiali capaci di caricarsi con la luce e rilasciare calore per ridurre la condensa o contribuire al riscaldamento di una stanza. È una prospettiva ancora lontana dalla sostituzione di una caldaia o di una pompa di calore. Tuttavia, potrebbe trovare applicazioni più specifiche, ad esempio su satelliti, aerei o componenti sensibili alla temperatura, dove anche piccoli apporti di calore controllato possono risultare preziosi.
La strada, insomma, è aperta e al contempo ristretta. Da una scottatura scaturisce un’intuizione elegante: imitare una risposta molecolare della natura per conservare un po’ di Sole in una forma utilizzabile. Il passo successivo consiste nel rimuovere l’acido, ampliare la luce utile, rendere il materiale più semplice, stabile, economico e ripetibile. Per il momento, l’acqua bolle in una fiala. Poco, ma sufficiente per continuare a osservare.
Fonte: UCSB