CM1 - Energia rinnovabile da sistemi biologici: celle a combustibile

CM1 - Energia rinnovabile da sistemi biologici: celle a combustibile microbico e cella di Grätzel
Destinatari
Classi II, III, IV e V
Celle a combustibile microbico
Obiettivi didattici
Costruire una cella elettrolitica che utilizzi come combustibile dei microrganismi.
Prerequisiti
Funzionamento della pila di Daniell e ossidoriduzioni.
Descrizione
All’inizio del secolo scorso M. C. Potter, professore di botanica alla Durham University, fu il primo
ricercatore in grado di produrre elettricità da un batterio, Escherichia coli. In seguito Barnet Cohen
negli anni Trenta costruì alcune pile alimentate da microrganismi che, connesse in serie, erano in
grado di produrre oltre 35 Volt, anche se con una corrente di soli 2 milliampere. Tali pile conosciute
come celle a combustibile microbico, Microbial Fuel Cell (MCF), sono sistemi elettrochimici in
grado di produrre corrente elettrica grazie al metabolismo dei microrganismi quali batteri, alghe o
lieviti. Tali microrganismi possono scomporre la materia organica producendo acqua pulita e corrente
elettrica. Per materia organica si intende lo zucchero grezzo, ma anche la frutta marcia o i rifiuti
organici, e per tale motivo l’interesse per le MCF è aumentato negli ultimi anni. Il substrato, inoltre,
può essere ottenuto anche da molecole sintetizzate da piante (soprattutto dalle radici delle stesse)
disperse nelle acque o nel terreno. Organismi in grado di svolgere questo lavoro sono le alghe, il riso,
il pomodoro, i lupini e l’erba. Le celle che sfruttano questi meccanismi vengono chiamate Plant
Microbial Fuel Cells, ma va sottolineato che a produrre corrente sono comunque microrganismi delle
piante e del terreno poiché le piante forniscono solamente il substrato necessario alla reazione. In
ambiente privo di ossigeno, si è visto che è possibile far passare gli elettroni che gli organismi viventi
normalmente generano durante il metabolismo ad un elettrodo e da questo ad un circuito elettrico,
generando così una corrente. Le MCF, considerate un valido aiuto per eliminare i combustibili
convenzionali nel trasporto urbano, per ora si caratterizzano ancora per costi di produzione troppo
alti a fronte di una bassa efficienza. Gli studenti dovranno costruire celle a combustibile microbico
che metteranno in serie per riuscire ad accendere una lampadina.
Cella di Grätzel
Obiettivi didattici
Costruire un particolare tipo di cella solare e capirne il funzionamento.
Prerequisiti
Fotosintesi e ossidoriduzioni.
Descrizione
Le celle di Grätzel sono delle particolari celle fotoelettrochimiche, costituite da due vetrini conduttori
che fungono da elettrodi, separati da uno strato di biossido di titanio (TiO2), dal materiale attivo e
dalla soluzione elettrolitica. Questo nuovo tipo di cella fotovoltaica senza silicio è stata inventata nel
1991 da Michael Grätzel e Brian O'Regan. Gli studenti dovranno assemblare una cella solare e
misurare il voltaggio da essa generato sotto illuminazione. Il principio alla base del funzionamento
delle celle solari è per certi versi analogo a quello che utilizzano le piante nel processo della fotosintesi
clorofilliana per produrre l’energia ad esse necessaria. Molto semplicemente si può dire che la
clorofilla, un pigmento contenuto nelle foglie di tutti i vegetali e che conferisce loro il caratteristico
colore verde, assorbe l’energia della radiazione solare e la converte in glucosio utile per la vita delle
piante. Nel caso delle celle solari costruite dagli studenti, invece, l’energia non viene immagazzinata,
ma resa immediatamente disponibile sotto forma di energia elettrica. In questa esperienza, al posto
della clorofilla verranno utilizzate delle antocianine: una classe di coloranti naturali responsabili del
colore di molti fiori e frutti, contenute in quantità apprezzabili nelle more, mirtilli e lamponi. Nel
dispositivo che verrà realizzato le antocianine assorbono l’energia dalla radiazione luminosa e danno
inizio ad una serie di processi, in cui sono coinvolte le altre componenti della cella solare, durante i
quali l’energia luminosa viene convertita in energia elettrica. L’energia elettrica si manifesta come
un flusso di elettroni (corrente elettrica) che si muove lungo un circuito esterno e la cui presenza sarà
segnalata da una differenza di potenziale tra i due elettrodi.