Chimica  |  Biochimica  |  Medicina

 

Linda Cossi, 2005 | Cureglia, TI
Marta Cvetkovska, 2005 | Massagno, TI

 

Il nostro lavoro consiste nella creazione di una foglia artificiale che contribuisca alla produzione di diossigeno all’interno delle navicelle spaziali e sulla Terra. La foglia è costituita dalla combinazione di un organismo fotosintetico e di un idrogel. Esistono tre prototipi, differenziati per l’idrogel utilizzato: PVA-borace, idrogel di fibroina di seta e alginato di sodio. Ognuno di questi idrogel è combinato con tre diversi organismi fotosintetici: la Spirulina, la Clorella e i cloroplasti estratti dalle foglie di spinaci.

Argomento

L’approvvigionamento di diossigeno rappresenta una sfida centrale nelle missioni spaziali, che viene affrontata da grandi compagnie quali la NASA, l’ESA o l’ISS attraverso sistemi estremamente avanzati e ricercati in tutto il mondo. Il nostro lavoro tenta di contribuire in maniera semplice ma efficace al superamento di questa problematica. Le potenzialità del progetto studiate dapprima per l’ambito spaziale, si sono in seguito rivelate molto promettenti anche per la Terra, sempre più minacciata dalla crisi climatica.

Metodologia

Per il primo prototipo sono stati mischiati i rispettivi organismi a una soluzione di alginato di sodio 2%. La soluzione ottenuta è stata versata a gocce in una soluzione di CaCl2 0,2 M, ottenendo delle sfere solide. Per il secondo prototipo, inizialmente si è separata la sericina dalla fibroina di seta, bollendo dei bozzoli di Bombyx mori in una soluzione di Na2CO3 0,02 M per 90 minuti. Dopo tre lavaggi consecutivi in acqua distillata, la fibroina pura è stata lasciata in forno a 60 °C per 24 ore. In seguito, si è cercato il metodo migliore di dissoluzione della fibroina. Nel primo approccio 0,4 g di fibroina sono stati sciolti in una soluzione ternaria di CaCl2, etanolo e acqua distillata, in rapporto molare 1:2:8 a 85° per dieci minuti. Nel secondo approccio, 1g di fibroina è stato sciolto in una soluzione di 4,75 g di acido formico e 0,25 g di CaCl2. Con l’ultimo tentativo sono invece stati sciolti 5 g di fibroina in 17 mL di una soluzione di LiBr 13,5 M a 60 °C per 4 ore. A tutti i composti sono stati aggiunti gli organismi fotosintetici e sono poi stati lasciati seccare per 24 ore. Per il terzo prototipo gli organismi fotosintetici sono stati aggiunti a una soluzione di PVA con borace all’8%. Il composto ottenuto è stato lasciato seccare.

Risultati

Il sistema di sfere di alginato ottenuto è funzionante: le sfere immerse nel liquido, facendo la fotosintesi, producono diossigeno diventando meno dense e di conseguenza si spostano verso la superficie. Una volta rilasciato il diossigeno nell’ambiente, le sfere tornano ad essere più dense della soluzione e ricadono sul fondo. A partire da 30 mL di soluzione di alginato, contenente 15 mL di cloroplasti, è stato possibile raccogliere circa 34 mL di diossigeno a STP sull’arco di 5 giorni. L’idrogel di fibroina ottenuto con il solvente di acido formico si è solidificato diventando trasparente e flessibile, ma l’organismo non è sopravvissuto al suo interno. Quest’ultimo è, al contrario, sopravvissuto nella soluzione ternaria e in quella di LiBr, ma l’idrogel non si è mai solidificato. L’idrogel di PVA e borace si è solidificato mantenendo la stessa forma e il colore verde dell’organismo anche a distanza di quattro mesi.

Discussione

Il sistema di palline di alginato si è rivelato essere molto efficiente e particolarmente adatto alla Terra. La sua componente liquida esclude però, la possibilità di applicarlo in un ambiente privo di gravità. L’idrogel di fibroina è, nella teoria, altrettanto promettente, eppure, gli ostacoli presentati dai metodi di dissoluzione non sono ancora stati superati. Al contrario, l’idrogel di PVA, essendo solido e avendo un pH neutro, si mostra adeguato ad un uso sia spaziale che terrestre. Se si avessero gli strumenti necessari, sarebbe possibile effettuare misurazioni del diossigeno prodotto anche da questo prototipo di foglia artificiale.

Conclusioni

Attraverso il nostro lavoro si è dimostrato di poter creare in maniera semplice e biologica un sistema artificiale che produca diossigeno. In ambienti chiusi, che siano edifici sulla Terra o navicelle nello spazio, si potrebbe pensare di disporre dei fogli fotosintetici vicino a fonti luminose, producendo diossigeno. Con il sistema di sfere di alginato, invece, si potrebbero progettare delle vere e proprie lampade fotosintetiche. Se si provasse quantitativamente il rilascio di glucosio nella soluzione, prodotto durante la fotosintesi, si potrebbe inoltre pensare di riutilizzare tale soluzione per generare energia elettrica, alimentando la lampada stessa.

 

 

Valutazione del lavoro espressa dall’esperto

Pessina

Linda e Marta si sono dedicate con entusiasmo alla ricerca di condizioni ideali per realizzare delle foglie artificiali da utilizzare in ambito spaziale o terrestre per generare ossigeno. Per la loro ricerca hanno testato diversi tipi di idrogel con lo scopo di incorporarvi degli organismi fotosintetici in grado di produrre ossigeno per fotosintesi. Con spirito di iniziativa hanno utilizzato varie tecniche di preparazione di idrogel e di estrazione degli organismi fotosintetici, dimostrandone la padronanza. Abilità che si può anche estrapolare dalla lettura del loro lavoro.

Menzione:

eccellente

Premio speciale «MILSET Expo-Sciences Europe (ESE)» offerto dalla Fondazione Metrohm

 

 

 

Liceo cantonale di Lugano 2, Lugano-Savosa
Docente: Prof. Yuri Malagutti