Se si mescola un combustibile fossile con un po' di ossigeno e si aggiunge una scintilla, si producono tre cose: Molta energia, acqua, ed anidride carbonica dannosa per il clima. Questa reazione chimica avviene in ogni motore a combustione, sia esso a gas, a benzina o a kerosene. In teoria, la reazione può essere invertita: La CO₂ rilasciata potrebbe essere utilizzata per produrre nuovamente combustibili, a patto di aggiungere energia (rinnovabile).

Alessandro Senocrate assembles the system in Empa's new laboratory building. Image: Marion Nitsch

È questa l'idea alla base dell'"Iniziativa congiunta" finanziata dal Consiglio dei PF chiamata "SynFuels". I ricercatori dell'Empa e dell'Istituto Paul Scherrer (PSI) hanno trascorso tre anni alla ricerca di modi per produrre carburanti sintetici – noti come synfuels – a partire dalla CO₂ in modo economico ed efficiente. Questa reazione presenta una serie di sfide: una per tutte, l'elettrolisi della CO₂ non produce solo il combustibile precedentemente bruciato, ma si possono formare contemporaneamente più di 20 prodotti diversi, difficili da separare l'uno dall'altro.

La composizione di questi prodotti può essere controllata in vari modi, ad esempio modificando le condizioni di reazione, il catalizzatore utilizzato o la microstruttura degli elettrodi. Il numero di combinazioni possibili è enorme. Come possono i ricercatori trovare la migliore? Analizzare singolarmente ogni combinazione richiederebbe troppo tempo. I ricercatori dell'Empa hanno reso questo processo dieci volte più veloce.

Uno dei tanti: Ogni reattore è collegato, tramite centinaia di metri di tubi, a diverse linee di alimentazione e scarico di gas e liquidi e a vari strumenti di misura. Immagine: Empa

Nell'ambito del progetto "SynFuels", i ricercatori guidati da Corsin Battaglia e Alessandro Senocrate del laboratorio "Materials for Energy Conversion" dell'Empa hanno sviluppato un sistema che può essere utilizzato per analizzare simultaneamente fino a dieci diverse condizioni di reazione, e materiali per catalizzatori ed elettrodi. I ricercatori hanno pubblicato la configurazione del sistema ed il relativo software sulla rivista "Nature Catalysis".

Il sistema è composto da dieci "reattori": piccole camere con catalizzatore ed elettrodi in cui avviene la reazione vera e propria. Ogni reattore è collegato, tramite centinaia di metri di tubi, a diverse linee di alimentazione e scarico di gas e liquidi, ed a vari strumenti di misura. Numerosi parametri vengono registrati in modo completamente automatico, come la pressione, la temperatura, i flussi di gas e i prodotti di reazione liquidi e gassosi, il tutto con un'elevata risoluzione temporale.

"Per quanto ne sappiamo, questo è il primo sistema di questo tipo per l'elettrolisi della CO₂", afferma il ricercatore dell'Empa Alessandro Senocrate. "Ci fornisce moltissimi dati di alta qualità che ci aiuteranno a fare scoperte più rapidamente". Al momento dello sviluppo del sistema, non tutti gli strumenti necessari erano disponibili sul mercato. In collaborazione con l'azienda Agilent Technologies, i ricercatori dell'Empa hanno co-sviluppato il primo dispositivo di cromatografia liquida online al mondo. Il dispositivo identifica e quantifica i prodotti liquidi di reazione in tempo reale durante l'elettrolisi.

Condurre gli esperimenti dieci volte più velocemente genera anche una quantità di dati dieci volte superiore. Per analizzare questi dati, i ricercatori hanno sviluppato un software open source che stanno mettendo a disposizione agli scienziati di altre istituzioni. Vogliono anche condividere i dati stessi con altri ricercatori. "Oggi i dati della ricerca spesso scompaiono in un cassetto non appena i risultati vengono pubblicati", spiega Corsin Battaglia, responsabile del Laboratorio Materiali per la Conversione di Energia dell'Empa. Un progetto di ricerca congiunto tra l'Empa, il PSI e il Politecnico di Zurigo, denominato "PREMISE", mira a evitare che ciò accada: "Vogliamo creare metodi standardizzati per l'archiviazione e la condivisione dei dati", spiega Battaglia. "Così altri ricercatori potranno estrarre nuove informazioni dai nostri dati e viceversa".

L'accesso libero ai dati scientifici è una priorità anche in altre attività del Laboratorio Materiali per la Conversione di Energia. Ad esempio, il gruppo è coinvolto nelle attività del Centro nazionale di competenza per la ricerca "NCCR Catalysis", che si concentra sulla produzione sostenibile di sostanze chimiche. Il nuovo sistema parallelo per l'elettrolisi della CO₂ è destinato a svolgere un ruolo importante nella seconda fase di questo importante progetto nazionale. Sia i dati generati che le competenze acquisite saranno messi a disposizione di altri istituti di ricerca svizzeri. A tal fine, i ricercatori dell'Empa intendono continuare a migliorare sia l'hardware che il software.