Trasformare i rifiuti alimentari in dispositivi di assorbimento del carbonio

Per stabilizzare il riscaldamento globale a meno di 1,5 °C nel lungo termine, è necessario non solo ridurre drasticamente le emissioni di gas serra, ma anche disporre di tecnologie in grado di rimuovere e immagazzinare centinaia di miliardi di tonnellate di anidride carbonica (CO₂) dall'atmosfera. Questa è anche la base sottostante degli scenari delineati nell'ultimo Rapporto di valutazione del Gruppo intergovernativo sui cambiamenti climatici (IPCC). 

Da anni, gruppi di ricerca e start-up lavorano quindi a metodi per rimuovere la CO₂ direttamente dall’aria – un processo noto come “direct air capture” (DAC). L’azienda Climeworks, fondata nel 2009 come spin-off dell’ETH, è uno dei primi fornitori commerciali al mondo di DAC. Ad oggi, tuttavia, la rimozione diretta di CO₂ dall’aria rimane un processo ad alto consumo energetico e costoso. 

Sfere proteiche porose legano l’anidride carbonica 

In uno studio pubblicato di recente sulla rivista PNAS, i ricercatori presentano un nuovo approccio promettente al DAC. Un gruppo guidato dallo scienziato dei materiali Raffaele Mezzenga, professore presso il Dipartimento di Scienze e Tecnologie della Salute del Politecnico federale di Zurigo (ETH), utilizza siero di latte e sottoprodotti della produzione di tofu per l’assorbimento di CO₂. 

La produzione di latticini e tofu genera grandi quantità di soluzioni contenenti proteine, solo una piccola parte delle quali viene riutilizzata nella produzione alimentare – il resto va sprecato. Da questi scarti, i ricercatori isolano le proteine che utilizzano per formare lunghe catene filiformi note come fibrille amiloidi. Successivamente, caricano queste fibrille con idrossido di potassio e le trasformano in perline con un diametro compreso tra mezzo e un centimetro. «Il materiale risultante è simile a una spugna in grado di assorbire grandi quantità di CO₂ tramite l’idrossido di potassio», spiega Mezzenga.

Quando le sfere porose vengono esposte all’aria ambiente, l’idrossido di potassio reagisce con_{la CO₂} formando idrogenocarbonato, un sale dell’acido carbonico. Questo processo rimuove la CO₂ dall’aria. «Nei nostri test con l’aria ambiente, siamo riusciti a estrarre 97 milligrammi di CO₂ con un grammo di materiale», spiega Zhou Dong, post-dottorando nel gruppo di Mezzenga e autore principale dello studio. Si tratta di un tasso molto elevato, afferma, superiore del 10-50% rispetto alla capacità dei metodi DAC convenzionali. Dong ipotizza che, con un chilogrammo di microsfere proteiche, sarebbe teoricamente possibile legare e isolare 100 grammi di CO₂ per ciclo di processo.  

Tecnica per un'economia circolare 

I metodi DAC convenzionali utilizzano generalmente calore e pressione negativa per rilasciare nuovamente l’anidride carbonica dal materiale di assorbimento. Ciò è necessario per poter poi immagazzinare la CO₂ o convertirla in altri materiali, rimuovendola così dall’atmosfera a lungo termine. Tuttavia, questo processo richiede una grande quantità di energia, motivo per cui oggi la DAC ha senso – sia dal punto di vista energetico che economico – solo laddove sono disponibili grandi quantità di energia rinnovabile. 

Questo è un altro ambito in cui i ricercatori del team di Mezzenga stanno adottando un approccio diverso: per liberare nuovamente l’anidride carbonica dalle sfere proteiche, queste vengono spruzzate alternativamente con un acido e una base deboli per circa 10 minuti a temperatura ambiente. Questo rompe i legami chimici in modo che la CO₂ possa essere isolata.  

L'acido, la base e le sfere possono quindi essere riutilizzati. «I materiali sintetici utilizzati oggi per catturare la CO₂ si decompongono rapidamente», afferma Dong. «Al contrario, le nostre sfere proteiche rimangono stabili a lungo». In laboratorio, i ricercatori hanno testato 30 cicli di adsorbimento e rilascio di CO₂ senza osservare perdite significative di efficienza. 

Mezzenga ipotizza che il materiale dovrebbe comunque essere sostituito dopo alcune migliaia di cicli a causa di una diminuzione della capacità di adsorbimento. Tuttavia, le sfere proteiche potrebbero poi essere utilizzate come fertilizzante in agricoltura o convertite in biocarburante, spiega il ricercatore. Le sfere sono costituite interamente da materiale organico, afferma, e sono facilmente degradabili – il che significa che il sistema potrebbe quindi diventare parte di un'economia circolare.

"I materiali che utilizziamo per questo processo sono atossici e di qualità alimentare", sottolinea Mezzenga. In un'analisi del ciclo di vita, i ricercatori dimostrano che il loro metodo genera meno inquinamento ambientale nell'intero ciclo di vita rispetto ad altri metodi DAC.  

Si prevede che sarà più economico rispetto ad altri metodi di cattura 

Sono necessari ulteriori test per verificare se la tecnologia sia scalabile per un uso pratico e se l’elevata capacità di assorbimento di CO₂ rimanga intatta su scala più ampia. Per lo studio pubblicato di recente, i ricercatori hanno testato il metodo in un ambiente di laboratorio controllato con pochi grammi di microsfere proteiche, legando e isolando circa 50 grammi di CO₂.  

Mezzenga è ottimista. Lavora con le fibrille amiloidi da quasi 20 anni e conosce bene il materiale. In passato lo ha utilizzato per sviluppare alternative biodegradabili alla plastica e tecniche per la depurazione dell’acqua. "Siamo fiduciosi che la tecnologia sia scalabile", afferma. Secondo Mezzenga, il sistema a spruzzo utilizzato per separare la CO₂ dalle microsfere proteiche è orientato verso tecniche esistenti già utilizzate nell'industria. Il post-dottorando Zhou Dong esaminerà ora ulteriormente la questione della scalabilità.  

Sebbene i ricercatori debbano ancora effettuare un calcolo esatto dei costi per tonnellata di CO₂ catturata, Mezzenga prevede che saranno significativamente inferiori rispetto al DAC convenzionale. “La nostra tecnologia è più economica e più sostenibile perché richiede poca energia e si basa su un prodotto di scarto ampiamente disponibile”, afferma. «Questo potrebbe rappresentare una svolta per il futuro della rimozione della CO₂ dall’aria».