Acqua e aria sono tutto ciò che serve per fare ammoniaca, una delle sostanze chimiche più importanti del mondo

I ricercatori hanno sviluppato un metodo per produrre ammoniaca semplicemente da aria e acqua. Non solo è più efficiente dal punto di vista energetico del secolare processo Haber-Bosch attualmente in uso in tutto il mondo, ma è anche più verde.

L’ammoniaca – composta da tre parti di idrogeno e una di azoto (o NH3) – ha avuto un impatto enorme sulla società. Senza la produzione di massa di questa sostanza chimica, si stima che un terzo di noi non sarebbe vivo. Questo perché il suo uso principale è la produzione di fertilizzanti, che hanno contribuito a migliorare la resa dei raccolti e a sostenere una grande popolazione.

Sviluppato nel 1909, il processo Haber-Bosch – spesso citato come l’invenzione più importante del XX secolo – comporta il riscaldamento di azoto purificato e idrogeno gassoso a temperatura e pressione molto elevate in presenza di un catalizzatore di ferro. La presenza del catalizzatore, che non partecipa alla reazione ma abbassa la soglia energetica della reazione, è vitale. Nonostante ciò, la produzione di ammoniaca – circa 140 milioni di tonnellate nel 2012 – consuma quasi il 2% dell’approvvigionamento energetico mondiale.

A parte i grandi requisiti energetici per raggiungere le condizioni di reazione, l’attuale metodo di produzione è inefficiente perché ha bisogno di gas idrogeno, che si ottiene dalla lavorazione del gas naturale. Il sottoprodotto del processo è l’anidride carbonica. Stuart Licht e i suoi colleghi della George Washington University hanno pensato che avrebbero potuto fare meglio se avessero trovato un modo di usare l’acqua invece del gas naturale come fonte di idrogeno.

Tentativi precedenti di combinare l’acqua (composta da due parti di idrogeno e una di ossigeno) con l’aria (che consiste al 78% di azoto) per formare ammoniaca hanno avuto meno successo. La soluzione di Licht è stata quella di far gorgogliare l’aria umida attraverso una miscela di minuscole particelle di ossido di ferro e sostanze chimiche fuse (composte da irossido di sodio e potassio) che viene colpita con l’elettricità.

Ogni reazione chimica è fondamentalmente lo scambio di elettroni tra atomi. In questo caso, questi elettroni sono necessari per estrarre l’idrogeno dall’acqua e poi combinarsi con l’azoto. “Quando viene applicata l’elettricità, l’ossido di ferro cattura gli elettroni per permettere all’acqua e all’aria di reagire direttamente per formare l’ammoniaca”, ha detto Licht.

Questo metodo sostiene di usare solo due terzi dell’energia del processo Haber-Bosch. Insieme all’eliminazione della necessità di produrre idrogeno dal gas naturale, le emissioni complessive sono ridotte abbastanza significativamente. L’intero processo avviene anche in condizioni più miti, non richiedendo 450°C e 200 volte la pressione atmosferica come fa il processo Haber-Bosch.

Non sono solo questi a rendere attraente il metodo di Licht. Parte dell’energia proviene da un’altra tecnologia che Licht ha sviluppato, chiamata produzione elettrochimica termica solare, o STEP. È considerata una delle celle solari più efficienti attualmente in uso. Lo STEP, applicato alla produzione di ammoniaca, porta alla produzione di idrogeno come sottoprodotto.

Questo sottoprodotto sarebbe adatto alle celle a combustibile a idrogeno, un altro percorso popolare per gli appassionati di energia pulita, secondo David Fermin, professore di elettrochimica all’Università di Bristol. “L’idrogeno generato in questo modo è significativamente più pulito”, ha detto.

Tuttavia, una cosa è mostrare il successo della produzione chimica in laboratorio e un’altra è replicarla su scala industriale. Licht ammette che c’è margine di miglioramento, ma è fiducioso che possa funzionare. Fermin ha un avvertimento da aggiungere: “Prima di andare in scala completa, sarà necessaria una migliore comprensione del meccanismo in questa complessa reazione di trasferimento multielettronico.”

Ma anche con il metodo di Licht, Fermin sottolinea che siamo lontani dall’essere in grado di replicare l’efficienza della natura nel convertire l’azoto dall’aria in sostanze chimiche utili, che viene fatto dai batteri azotofissatori. “Ciò che è veramente notevole è che la natura lo fa in modo incredibilmente efficiente a bassa temperatura”, ha aggiunto Fermin.

E ancora, se qualcosa di più efficiente può sostituire il processo Haber-Bosch, abbasserebbe l’input energetico della produzione di uno dei prodotti chimici più importanti del mondo e porterebbe a una notevole riduzione delle emissioni globali di CO2.