Questa puntata affronta il tema dello stoccaggio a lungo termine del carbonio sotto forma di un materiale con valore commerciale.

Si fa riferimento a Plant-based CO₂ drawdown and storage as SiC, Thomas et al., 2021 (doi: 10.1039/d1ra00954k).

Di seguito la trascrizione della traccia audio.

Ciao a tutti ragazzi, benvenuti a questo episodio del podcast PIANTATELA! Io sono Federico Fagiani e io sono Salvatore Bannò

L'argomento di cui parleremo oggi è il climate change, un argomento molto attuale, ogni giorno ci troviamo di fronte a situazioni collegate ad esso. La temperatura media del pianeta è aumentata a partire dalla metà del secolo scorso, inoltre le condizioni metereologiche sono diventate molto più estreme ( possiamo citare allagamenti, ondate di calore estreme, tempeste e via dicendo) e gli oceani stanno diventando più acidi. Queste sono solo alcune delle conseguenze di questo grande processo. Tra le maggiori cause, come tutti sapete, ci siamo noi umani. L'incremento esponenziale della popolazione e il sovrasfruttamento delle risorse (tra queste citiamo deforestazione, utilizzo dei terreni, allevamenti intensivi, overfishing, industrializzazione) portano a un'emissione elevata di gas serra all'interno dell'atmosfera. I gas serra trattengono l'energia solare e conseguente calore nella troposfera, lo strato più vicino alla superficie terrestre. Oggi parleremo proprio di uno dei principali gas serra. Se dovessimo dare 3 espressioni chiave per riassumere ciò che stiamo per affrontare nell'episodio di oggi, quali sarebbero Salvo?

 Ok Fede, ti dico: CO2, cicli del carbonio e ruolo delle piante nella mitigazione delle emissioni

La CO2 è uno dei principali gas serra emessi sia naturalmente che dall'attività umana. Essa di per sè non è il problema, ma lo è la sua quantità. Infatti, il ciclo naturale del carbonio della Terra non sta sufficientemente sequestrando l'eccesso di CO2 atmosferica. La Terra regola ritmicamente il livello di CO2 in cui la CO2 transita tra serbatoi di carbonio organici e inorganici. Questi scambi avvengono in ecosistemi marini terrestri, costieri e profondi, dove la biomassa ricca di carbonio si accumula durante la fotosintesi. Attraverso metabolismo e decomposizione essa viene nuovamente immessa nell'atmosfera. La capacità delle piante di utilizzare la CO2 come fonte centrale di carbonio nel processo di fotosintesi stabilisce la loro posizione cardine nel bilancio globale del carbonio della Terra. Una soluzione ideale per mitigare il rilascio sarebbe quella di trovare un modo per lo stoccaggio della CO2 evitando, attraverso il naturale processo di decomposizione, la reimmissione.

A proposito di questo, ci siamo imbattuti in un interessante articolo di cui il titolo "Plant-based CO2 drawdown and storage as SiC", riguardante l'utilizzo di cicli artificiali del carbonio per immagazzinare la CO2 assorbita dalle piante e trasformarla in materiali bio-sostenibili (carburo di silicio). È davvero affascinante come le biotecnologie potrebbero aiutarci a ridurre l'impatto antropico nell'immediato futuro portando comunque a soluzioni economicamente vantaggiose. Qui con noi in studio oggi abbiamo invitato 3 ospiti, Elisabetta, Noemi e Francesco. Adesso lasciamo la parola agli esperti che ci andranno a spiegare più approfonditamente in cosa consiste tale approccio sperimentale.

Come avete già detto i livelli di CO2 in atmosfera si regolano periodicamente attraverso i naturali cicli che coinvolgono sia il mondo organico che inorganico.  Come sappiamo tuttavia i livelli di CO2 al giorno d’oggi sono diventati talmente alti da non poter più essere mitigati efficacemente dai soli cicli naturali.

È vero che la fotosintesi permette il sequestro di CO2 dall’atmosfera, ma nel caso delle coltivazioni, questa viene nuovamente liberata con il consumo della biomassa, inoltre le piante di interesse agrario sono generalmente annuali per cui non danno contributo nel lungo termine, anzi stagionalmente si ha un’emissione di CO2 e metano nuovamente in atmosfera.

Una possibilità è quindi incrementare la mitigazione facendo in modo che il carbonio stoccato non venga riemesso in atmosfera, ma anzi che venga usato per produrre un materiale che abbia anche un valore commerciale.

Si è visto che dalla biomassa vegetale è possibile produrre un materiale di valore detto carburo di silicio, SiC.

Il carburo di silicio è un materiale ceramico che è composto da Silicio e Carbonio in eguali proporzioni. Ha alcune caratteristiche che lo rendono molto utile in diversi settori industriali, ad esempio è estremamente forte ma ha un peso piuttosto basso, ha una alta conducibilità termica ma basso coefficiente di dilatazione termica. Ha applicazioni nelle lavorazioni abrasive, ad esempio si usa anche per fare la carta vetrata, in astronomia, come materiale strutturale, come semiconduttore nell’industria elettronica, nell’industria siderurgica, automobilistica e molti altre ancora.

Si trova in natura come minerale, la miossanite, che è però estremamente raro, ciò comporta la necessità di sintetizzare il carburo di silicio partendo dalla silice SiO2 utilizzando un trattamento acido e un coke di petrolio.

Questo processo però comporta il rilascio del 65% del carbonio contenuto nel petcoke, che viene emesso sottoforma di CO2 e metano. Ed è esattamente qui che l’uso della biomassa vegetale può andare non solo a mitigare le emissioni del processo di produzione di SiC ma anche a riciclare carbonio che verrebbe altrimenti anch’esso emesso.Il processo alternativo di produzione del carburo di silicio prevede fondamentalmente 3 step: la crescita della pianta, il processamento  della relativa biomassa, e infine la petrificazione. In particolare la biomassa viene congelata e macinata per ottenere una polvere che subisce prima il processo di mineralizzazione, tramite trattamento acido e perfusione mediante immersione in TEOS. Il prodotto della mineralizzazione viene fatto seccare per poi procedere con la petrificazione: viene sottoposto a combustione in atmosfera inerte con regime di riscaldamento e raffreddamento tra temperatura ambiente e 1600 C. Ne risulta una polvere che va dal verdastro al grigio scuro.

Ma quindi, più nel dettaglio, cosa è stato fatto?

Nello studio specifico è stata delineata una strategia quantitativa per ridurre la CO2 atmosferica riciclando il carbonio attraverso cicli di cattura e stoccaggio, in cui la biomassa vegetale viene pietrificata così da sintetizzare il Sic. Si è quindi deciso di iniziare ad analizzare una coltura erbacea di breve durata, Nicotiana tabacum, ovvero il tabacco coltivato, in modo da poter esplorare la scala necessaria per avere un impatto sull’atmosfera. Nel dettaglio sono stati piantati i semi e dopo58 giorni sono state raccolte foglie e steli. Il materiale vegetale risultante è stato congelato, macinato e infine essiccato in polvere fine. La massa media delle piante secche era di 4,2 g. Otto piante essiccate sono state analizzate mediante spettroscopia a raggi X (EDX) per quantificare la composizione elementare. Si è visto che le polveri di piante essiccate contenevano in media 43,7% di massa C per pianta, pari a 1,8 g di C; la variazione netta della quantità di carbonio dal seme alla pianta ha riportato un guadagno positivo di 1,8g di C rimosso dall’atmosfera e convertito in biomassa. I campioni di polvere di tabacco essiccati sono stati mineralizzati mediante perturbazione acida  e pietrificati mediante combustione in un forno tubolare che raggiunge 1600 °C. È stato usata la diffrazione a raggi X (XRD) per analizzare la composizione strutturale dei prodotti pietrificati e ne è risultato che il componente principale in tutti i campioni era b-Sic. I campioni delle polveri vegetali iniziali e dei prodotti pietrificati sono stati, quindi, valutati utilizzando una combinazione di microscopia a epifluorescenza e microscopia elettronica a scansione.  Nel complesso è stato ottenuto un guadagno netto di C sequestrato di  0,26 g di C per pianta di tabacco dall'atmosfera e conservato come Sic.

Ok, ma quindi è stato fatto solo questo come studio? O ci sono stati altri studi che hanno visto l'utilizzo di altri organismi vegetali?

Si, effettivamente è stato utilizzato un secondo materiale vegetale, le bucce di mais, che rappresentano il sottoprodotto della coltura agricola attuale. Usando la stessa procedura, si è ottenuto una polvere dalle bucce macinate ed essiccate che vengono poi sottoposti alla pietrificazione. Successivamente hanno misurato gli elementi più abbondanti  nelle bucce di mais pietrificate paragonandole poi alle quantità ottenute con il tabacco pietrificato: si è visto che la percentuale complessiva di C trattenuta attraverso questo processo è stata del 14,3%, il che indica che questa procedura è suscettibile alla cattura del carbonio e alla produzione di carburo di silicio attraverso utilizzo dei sottoprodotti agricoli che rilasciano  la loro riserva di carbonio sotto forma di CO2 e metano.

In seguito, nel lavoro si sono focalizzati nell'identificare tessuti vegetali e biomolecole resistenti alla perdita di CO2 durante il riscaldamento, aumentando l'efficienza della cattura complessiva di C biologico. Attualmente, questo metodo richiederebbe che ogni persona sulla terra pianti, raccolga ed asciughi l'equivalente di circa 5000 impianti di tabacco per sequestrare 1 gigatone (Gt) di CO2. Inoltre, con l’utilizzo di energie rinnovabili questo processo potrebbe avere un ulteriore impatto positivo nell’impronta globale di C. tuttavia, è necessario identificare delle piante con livelli sufficienti di SILICE endogeno che potrebbe così eliminare la fase di mineralizzazione e contribuendo al valore economico del Sic aumentandone la purezza. Ad esempio i prodotti di scarto del riso contengono elevati livelli di Silice. Infine, è importante anche identificare specie vegetali e varietà che ospitano biomolecole densamente imballate e ricche di carbonio, come la suberina, che viene convertita quantitativamente a Sic senza perdite dovute alla decomposizione pirolitica,  aumentando il guadagno netto di C sequestrato per pianta. Con questo lavoro viene quantificato con precisione il potenziale di cattura del carbonio attraverso un ciclo artificiale che preleva CO2 dall'atmosfera per poi immagazzinarla in atomi di C in modo permanente.

Perfetto, davvero interessante, penso che questa possa essere una valida alternativa per mitigare la CO2 in atmosfera. L'unico appunto che mi viene in mente è che magari su scala più ampia possa diventare complicato il processo di manipolazione, speriamo che possiate trovare un metodo per ottimizzare il processo in modo da renderlo maggiormente applicabile (finanziamenti permettendo ahahah). Aspettiamo vostri aggiornamenti sui nuovi sviluppi. 

Ragazzi, siamo arrivati al termine, grazie per averci ascoltato. Alla prossima puntata con PIANTATELA!