Innovazioni ispirate alle piante nella raccolta e trasformazione dell'energia solare

Nel corso di miliardi di anni di evoluzione, gli organismi naturali hanno sviluppato metodi altamente efficienti per raccogliere energia solare e immagazzinarla sotto forma di idrocarburi, come zuccheri e amidi, per sostenere la crescita e la sopravvivenza. Le ricerche hanno dimostrato che le foglie delle piante contengono strutture antennali per la raccolta della luce, note come cloroplasti, che consentono l’assorbimento di un ampio spettro della luce solare. Queste strutture funzionano anche come canali a lungo raggio che trasferiscono gli eccitoni dagli stati elettronici eccitati della clorofilla, a seguito dell’assorbimento di fotoni, ai centri di reazione dove avviene la fotosintesi (Mirkovic et al., 2017).

All’interno di una foglia naturale sono presenti reti tridimensionali interconnesse di pori e canali, che ottimizzano l’assorbimento della luce e facilitano il movimento delle sostanze essenziali. Ispirandosi a queste strutture e ai meccanismi della fotosintesi naturale, i ricercatori hanno ampiamente sviluppato processi artificiali di conversione solare-carburante, consentendo la trasformazione dell’anidride carbonica in prodotti multi-carbonio, così come la generazione di idrogeno guidata dalla luce solare (Liu et al., 2021).

Replicando la struttura della clorofilla e i processi funzionali della fotosintesi nelle foglie delle piante, sono state sviluppate foglie artificiali per consentire la raccolta e la conversione dell’energia solare ispirata alla biologia (Van Noorden, 2021, Reece et al., 2011, Nguyen et al., 2017).

Per migliorare la diffusione dei gas e l’efficienza nella raccolta della luce, i sistemi fotosintetici artificiali tridimensionali sono spesso progettati con una struttura gerarchica dell’elettrodo simile a quella di una foglia naturale. Ad esempio, sono state sviluppate foglie artificiali utilizzando nanomateriali sintetici incorporati in strutture di origine vegetale, formando sistemi bio-ibridi (Zhou, 2013).

La PV-leaf imita il processo di traspirazione nelle foglie delle piante per raffreddare le celle solari, migliorandone l’efficienza. Questo design incorpora uno strato di traspirazione biomimetico realizzato con fibre di bambù e celle di idrogel che trasferiscono passivamente l’acqua da un serbatoio per raffreddare la superficie del pannello solare. Riducendo la temperatura operativa fino a 26°C, la PV-leaf aumenta l’efficienza elettrica e può generare simultaneamente elettricità, calore e acqua pulita.

Durante il processo di sintesi, l’architettura naturale della foglia e i sistemi di venatura sono stati direttamente replicati e incorporati nel sistema fotosintetico artificiale, creando una rete gerarchica tridimensionale di macropori. Queste foglie artificiali, costruite con catalizzatori sintetici, catturano efficacemente la luce e facilitano la fotoriduzione dell’anidride carbonica, imitando i processi fotochimici naturali per convertire anidride carbonica e acqua in idrocarburi di alto valore sotto luce solare naturale o simulata. Oltre ai dispositivi bioispirati per la cattura e la conversione dell’anidride carbonica, la ricerca dell’ultimo decennio ha esplorato la scissione dell’acqua solare utilizzando strutture ispirate alle foglie. Come fonte di energia pulita senza emissioni di carbonio, si prevede che l’idrogeno svolga un ruolo cruciale nei futuri sistemi energetici, in particolare quando viene generato tramite reazioni di scissione dell’acqua. Anche il concetto di produzione di idrogeno tramite scissione dell’acqua è stato influenzato dai meccanismi naturali della fotosintesi (Velasco-Garcia e Casadevall, 2023).
La struttura di una tipica foglia di pianta è composta da cellule fotosintetiche, fasci vascolari (vene), cellule spugnose, stomi, cuticola ed epidermide, come mostrato in Figura 1a. Il trasporto dell’acqua all’interno della pianta avviene attraverso un processo guidato da forze capillari e pressione osmotica, consentendo il movimento dell’acqua liquida dal suolo alle foglie. I fasci vascolari contengono microcanali che distribuiscono efficacemente l’acqua in tutta la foglia, che poi evapora dalle superfici cellulari durante la traspirazione.

Ispirandosi all’efficienza della traspirazione e al design strutturale delle foglie naturali, è stata sviluppata una struttura di traspirazione biomimetica per la PV-leaf, come illustrato in Figura 1b. Questo design integra uno strato di traspirazione biomimetico (BT) applicato sul retro di una cella solare fotovoltaica, migliorando la dissipazione del calore. La funzione dei fasci vascolari è replicata utilizzando fasci di fibre di bambù naturali, garantendo un efficace trasporto e distribuzione dell’acqua. Nel frattempo, le celle di idrogel con un’elevata area superficiale specifica e superiori proprietà di assorbimento dell’acqua sostituiscono le cellule spugnose, promuovendo un’evaporazione efficiente.

Una configurazione dettagliata della struttura di traspirazione della PV-leaf è mostrata in Figura 1c, comprendente uno strato BT (~1 mm di spessore), una rete di supporto (0,5 mm di spessore) e uno strato di cella fotovoltaica (~150 μm di spessore), che copre un’area efficace di 10 × 10 cm². All’interno dello strato BT sono incorporati circa 30 rami di fasci di fibre di bambù, distribuiti uniformemente in un idrogel superassorbente di poliacrilato di potassio (PAAK), che facilita una distribuzione uniforme dell’acqua attraverso lo strato. Le estremità dei rami di fibra sono raccolte e immerse nell’acqua, mantenendo un’idratazione continua.

Il processo di fabbricazione passo-passo della struttura di traspirazione della PV-leaf è presentato nella Figura Supplementare 1, mentre la Figura Supplementare 2 fornisce uno schema elettrico dettagliato del sistema di misura elettrica utilizzato per la valutazione delle prestazioni (Huang et al., 2023).

Figura 4. Struttura e Funzione della PV-Leaf Bioispirata, a. Una foglia naturale presenta fasci vascolari che distribuiscono uniformemente l’acqua sulla sua superficie, consentendo il raffreddamento tramite traspirazione, che protegge la fotosintesi. b. La PV-leaf bioispirata imita questo processo utilizzando fasci di fibre idrofile e celle di idrogel per replicare le funzioni di trasporto e immagazzinamento dell’acqua di una vera foglia. c. Lo strato di traspirazione biomimetico (BT) è costituito da fasci di fibre di bambù e celle di idrogel, con le radici delle fibre immerse in acqua per un apporto continuo di umidità. d. L’acqua si muove dalle radici delle fibre alle celle di idrogel tramite azione capillare e osmosi. Quando l’acqua evapora, rimuove il calore dalla cella fotovoltaica, mantenendola fresca. e. Una fotografia reale del prototipo di PV-leaf mostra come questa struttura bioispirata sia applicata a una cella solare funzionante (Huang et al., 2023).

Figura 5. Come la PV-Leaf Migliora le Prestazioni dei Pannelli Solari, a. Per testare l’efficacia della PV-leaf, è stato creato un allestimento speciale utilizzando un simulatore solare che produce luce simile a quella del sole. Questo sistema aiuta a misurare l’effetto di raffreddamento e l’efficienza energetica della PV-leaf rispetto a un pannello solare convenzionale. b. La PV-leaf rimane molto più fresca rispetto a un pannello solare tradizionale. I test hanno dimostrato che lo strato di traspirazione biomimetico aiuta a ridurre significativamente la temperatura, prevenendo il surriscaldamento e migliorando le prestazioni. c. La PV-leaf rilascia acqua tramite traspirazione, proprio come una vera foglia. Questo processo aiuta a rimuovere il calore dal pann