Chimica | Biochimica | Medicina
Martino Camponovo, 2003 | Ponte Capriasca, TI
Ramon Fitze, 2003 | Vezia, TI
Il nostro lavoro consiste nella costruzione di un sistema che integri una cella RedOx e una coltura di cianobatteri commestibili, in modo che il diossigeno rilasciato durante la loro crescita possa essere utilizzato per produrre energia elettrica. I cianobatteri utilizzati appartengono al genere Spirulina e presentano eccellenti valori nutrizionali. Durante il processo fotosintetico, essi prelevano CO2 dall’atmosfera terrestre e rilasciano diossigeno. Il diossigeno prodotto viene poi utilizzato per rigenerare il catolita di una cella RedOx a flusso ibrida che utilizza zinco e blu di metilene, materiali poco tossici.
Argomento
Per fare fronte al cambiamento climatico l’umanità dovrà compiere importanti adattamenti al proprio stile di vita. Il nostro lavoro si è concentrato su due aspetti distinti, ma che abbiamo voluto unire: l’alimentazione sostenibile e l’energia rinnovabile. In tal senso la coltivazione di cianobatteri fotosintetici commestibili è combinata con la raccolta del diossigeno da essi prodotto, che viene poi convertito in energia elettrica nella cella. Inizialmente ci siamo concentrati sulla parte teorica, analizzando aspetti inerenti alla coltivazione della Spirulina e alla costruzione di celle RedOx a flusso ibride. Questo “proof of concept” è stato poi tradotto in realtà, con la costruzione del sistema completo.
Metodologia
Per prima cosa si è proceduto alla realizzazione di una coltura di Spirulina: è stato preparato un medium di coltura adatto, che, insieme al monitoraggio di alcuni parametri (quali densità ottica, illuminazione, pH), ha permesso di ottenere una coltura stabile e prosperosa. Si è poi proceduto a studiare un metodo efficace per la raccolta del diossigeno prodotto dai cianobatteri. Contemporaneamente a ciò è stata sviluppata una cella RedOx a flusso ibrida, partendo dalla ricerca dei materiali adatti alla costruzione. Sono stati svolti numerosi esperimenti per ottimizzare la reazione di ossidoriduzione del catolita della cella (la soluzione di blu di metilene che ne permette il funzionamento), in particolare in relazione al pH. Attraverso l’utilizzo di sonde PASCO sono state condotte misurazioni precise di tensione e corrente erogate durante il funzionamento della cella. Si è proceduto infine alla costruzione di due celle poste in serie con le quali, utilizzando il catolita ricaricato con il diossigeno proveniente dalla coltura di Spirulina, è stato acceso un LED.
Risultati
È stato inizialmente sviluppato un metodo che permettesse di raccogliere e prelevare il diossigeno prodotto: è stato possibile raccogliere circa 160 mL di diossigeno (all’80%) a STP sull’arco di 24 ore, da 2 L di coltura. Per quel che riguarda la cella RedOx, attraverso esperimenti mirati sul pH del catolita è stato possibile raggiungere valori di corrente e tensione più alti. Inoltre, aumentando la superficie dell’elettrodo di zinco e collegando due celle in serie, è stato possibile accendere un LED da 320 Ohm. 120 mL di catolita sono stati ricaricati con 300 mL del diossigeno raccolto dalla Spirulina e sono stati posti in circolo nella doppia cella: è stata misurata una tensione iniziale di 1916 mV e una corrente di 6 mA: ciò ha permesso di mantenere acceso il LED per 3 ore e 40 minuti, con un’energia totale erogata di 31,7 J.
Discussione
Attraverso l’accensione del LED è stato dimostrato che è possibile ricaricare, tramite il diossigeno rilasciato naturalmente da una coltura di cianobatteri commestibili, il catolita di una cella RedOx a flusso ibrida. Gli esperimenti compiuti sia sulla coltura che sulla cella hanno permesso di ottimizzare le condizioni di produzione di diossigeno e di funzionamento della cella. Per quel che riguarda la cella RedOx questo lavoro di ottimizzazione può essere ulteriormente sviluppato per condurre ad un funzionamento ancora più efficiente. L’unione delle due celle ha evidenziato come sia possibile aumentare l’energia erogata semplicemente aumentando il volume del catolita utilizzato, ripartito su più celle.
Conclusioni
La Spirulina è un’alga molto facile da coltivare, produce molta biomassa in un lasso di tempo relativamente ristretto e le sue ottime qualità nutrizionali la rendono un cibo molto interessante. Per quel che riguarda la cella bisogna sottolineare la possibilità di immagazzinare in maniera semplice ed efficace il catolita una volta che esso è stato ricaricato. Ciò permetterebbe di sviluppare ulteriormente l’utilizzo di più celle per la produzione di più energia elettrica. Inoltre, un sistema automatizzato di trasporto del diossigeno dalla coltura alla cella permetterebbe di produrre un flusso costante di corrente elettrica.
Valutazione del lavoro espressa dall’esperto
Massimo Morbidelli
I due giovani hanno svolto il progetto in totale autonomia.
Sono impressionato non solo dall’ottimo livello delle loro conoscenze di base, ma anche dall’entusiasmo che entrambi hanno profuso nel progetto. Hanno dimostrato un grande interesse per i concetti teorici, che combinano con una forte motivazione «ingegneristica» nel volere arrivare non solo al «proof of concept» ma alla dimostrazione pratica del risultato del progetto. Hanno lavorato in modo multidisciplinare combinando la coltivazione della Spirulina con le reazioni chimiche e lo sviluppo di un metodo per la cattura del diossigeno.
Menzione:
molto buono
Sonderpreis SimplyScience
Liceo di Lugano 2, Lugano-Savosa
Docente: Dr. Paolo Lubini