Energia: il Po potrebbe produrne quanto una centrale nucleare

Due cervelli italiani “in fuga” hanno realizzato una batteria che produce energia pulita e rinnovabile grazie alla miscelazione di acqua di mare con acqua dolce. Fabio La Mantia e Mauro Pasta, ricercatori dell’Università di Stanford,  hanno battezzato il dispositivo “Batteria di Miscelazione Entropica”. Lo studio è stato pubblicato dalla rivista scientifica ACS Nano Letters. La batteria sfrutta la differenza di salinità, è facile da realizzare e potrebbe contribuire in futuro fino al 13 per cento dell’attuale consumo mondiale di energia.

La miscelazione dell’acqua dolce con quella di mare è un fenomeno naturale, che si verifica quando i fiumi raggiungono il mare. La differenza di salinità innesca un processo chimico dal quale si sprigiona energia, che normalmente va dispersa e che invece i ricercatori di Stanford sono riusciti a imbrigliare e accumulare.

Il team di scienziati è guidato dal prof. Yi Cui e dal prof. Bruce Logan della Penn State University, ma i primi firmatari della ricerca sono i due ricercatori italiani.

Ho chiesto a Fabio La Mantia e Mauro Pasta di raccontarmi i dettagli della loro scoperta.

“L’entropia – mi hanno detto – misura il grado di “disordine” di un sistema a una determinata temperatura: maggiore è il disordine, maggiore è l’entropia. Vien da sé che i processi con variazione positiva di entropia (ΔS > 0), cioè i processi che generano disordine, sono favoriti termodinamicamente. Nella pratica quotidiana, richiede uno sforzo maggiore riordinare i libri in ordine alfabetico in una biblioteca piuttosto che disporli alla rinfusa.

In  modo del tutto analogo, il processo di miscelazione di due soluzioni a concentrazione diversa è favorito termodinamicamente perché comporta una variazione positiva di entropia (mixing entropy). Quindi, quando l’acqua dolce (di fiume) – che ha un contenuto in cloruro di sodio (NaCl) di circa 0.024 M  – si mescola con l’acqua di mare (circa 0.6 M), stiamo “sprecando” energia.

Lo scopo della nostra Mixing Entropy Battery è recuperare questa energia, osservando questo principio: abbiamo due elettrodi, uno in grado di catturare ioni sodio e l’altro ioni cloruro.

I quattro step per realizzare la Mixing Entropy Battery

1) carichiamo la batteria in acqua dolce: durante questo processo rilasciamo sodio e cloruro, che inizialmente erano presenti nei due elettrodi (i due poli della batteria).

2) cambiamo la soluzione con acqua di mare: la maggiore entropia dell’acqua di mare rispetto a quella dolce fa aumentare il voltaggio della batteria.

3) scarichiamo la batteria, catturando il sodio e il cloruro dell’acqua di mare all’interno dei due elettrodi.

4) reimmettiamo acqua dolce nel sistema. Poiché l’acqua dolce ha una minore entropia dell’acqua salata, il voltaggio della batteria diminuisce.

Questo è possibile perché la particolare chimica degli elettrodi nella batteria li rende sensibili all’entropia dell’acqua in contatto.

Da calcoli termodinamici (teorici), si possono ricavare fino a 2.5 kJ per litro di acqua dolce impiegato, che è ovviamente quella limitante. Considerando le portate dei principali fiumi mondiali si potrebbero ricavare fino a 2 TW, l’equivalente di circa 2000 centrali nucleari.

L'estuario del Po

Ovviamente è realisticamente impossibile e concettualmente errato pensare di riuscire ad estrarre tutta questa energia (come ad esempio tutta l’energia che il sole fornisce alla terra), ma è una valida soluzione in situazioni geografiche favorevoli. Pensiamo ad esempio a città che si trovano vicine a foci di fiumi. Per intenderci, il Po potrebbe fornire al massimo 3.8 GW, circa quanto 3 centrali nucleari. Diciamo che ragionevolmente ne potrebbe fornire 1.5-2 GW, l’equivalente di una grossa centrale nucleare.

Chi sono i due scienziati italiani?

Fabio La Mantia

Fabio La Mantia ha 30 anni, è nato a Brunico (BZ) e ha vissuto a Palermo fino all’età di 24 anni, dove si è laureato in ingegneria chimica. Ha fatto il dottorato di ricerca al politecnico di Zurigo. In seguito è stato a Stanford come post-doc. Da Giugno 2010 lavora in Germania, a Bochum, come junior group leader.

Mauro Pasta

Mauro Pasta ha 29 anni ed è nato a Bergamo. Laurea triennale in Chimica Industriale e Magistrale in Chimica Industriale e Gestionale. Dottorato di Ricerca a Milano e PhD alla Stanford University. Post Doc presso il Zentrum für Elektrochemie della Ruhr-Universität Bochum. A maggio rientrerà a Stanford come Post Doc su materiali  ed elettrochimica applicata alla conversione di energia.

Cervelli in fuga? La risposta è quanto mai pragmatica:

“quello che conta per noi è migliorarci continuamente e fare ricerca di qualità, ma la qualità costa e da noi soldi non ce ne sono”.