La chimica industriale brucia combustibili fossili per scaldare i reattori e ottenere le molecole su cui si reggono fertilizzanti, carburanti e materiali. Il progetto europeo SCOPE, coordinato dall’Università di Messina, ha provato una strada diversa: elettricità rinnovabile e un gas ionizzato che resta freddo, con un’impronta di carbonio più bassa fino a oltre il 90 %. Dietro quella chimica c’è un modo di ragionare fatto di parametri, condizioni e confronti — cinque domande in fondo all’articolo dicono quanto ti somiglia.
Solido, liquido, gassoso: la lista che si impara a scuola quasi sempre si ferma lì. Esiste però un quarto stato, il plasma, ed è un gas surriscaldato in cui gli atomi vengono scissi in elettroni liberi e ioni positivi. Non è una curiosità da vetrina scientifica: è la materia di cui sono fatte le stelle e, da qualche anno, anche il punto di partenza di un modo diverso di fare chimica su scala industriale.
Il punto sta nel come si accende. Se la potenza in ingresso viene pulsata molto rapidamente, su una scala che va dai nanosecondi ai microsecondi, la produzione di elettroni ad alta energia si controlla con precisione, mentre le molecole di gas circostanti restano fredde. Questo metodo avanzato di eccitazione elettrica si chiama plasma a modulazione rapida e genera processi a plasma freddo, o plasma non termico (NTP).
La conseguenza pratica è che molecole poco reattive come anidride carbonica, azoto biatomico, metano e acqua si possono convertire a temperature e pressioni prossime a quelle ambientali. Niente forni, niente pressioni estreme: serve corrente elettrica, e la corrente può arrivare dal vento o dal sole.
Attivare le molecole però non basta. Serve un catalizzatore per controllare le reazioni e produrre in modo selettivo i composti desiderati, e qui il problema si complica: un catalizzatore pensato per la chimica termica può arrestare la reazione delle molecole attivate dal plasma anziché interagire con esse. Il progetto SCOPE, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca (CER), ha studiato, modellato e applicato proprio l'interazione sinergica fra NTP e catalizzatori solidi: una combinazione che crea un effetto superiore alla somma dei singoli effetti.
Rispetto ai processi catalitici termici convenzionali l'NTP lavora in condizioni molto blande e si accoppia bene con le energie rinnovabili, quindi con l'elettrificazione dei processi chimici. Con un'impronta di carbonio molto più bassa, fino a oltre il 90 %, SCOPE lo ha portato su tre reazioni industriali:
La prima delle tre ha la ricaduta più immediata. «Abbiamo sviluppato, ad esempio, nuovi processi volti a produrre fertilizzanti in modo distribuito a partire dall'azoto atmosferico. I fertilizzanti sintetici sono essenziali per la sicurezza alimentare globale, in quanto forniscono l'azoto necessario alla coltivazione del cibo destinato a quasi metà della popolazione mondiale», spiega Gabriele Centi, coordinatore del progetto e ricercatore presso l'Università di Messina.
«In modo distribuito» è la parte che sposta gli equilibri: impianti piccoli, alimentati a elettricità, installati vicino a chi il fertilizzante lo usa, invece di un unico grande stabilimento e una lunga catena logistica.
«Il plasma freddo è incredibilmente versatile e può contribuire a rendere più sostenibili la produzione manifatturiera, l'agricoltura, il settore sanitario, il campo della tutela ambientale e persino l'industria alimentare», osserva Centi. In agricoltura i semi vengono trattati prima della semina: «Questo processo che non impiega sostanze chimiche migliora l'assorbimento idrico, aumenta i tassi di germinazione e favorisce una crescita iniziale più vigorosa delle piante, aiutando gli agricoltori ad aumentare le rese colturali riducendo al contempo la necessità di impiegare trattamenti chimici».
Nel settore del legno il trattamento rende le superfici più ricettive ai rivestimenti protettivi. Nell'industria alimentare il plasma influenza la formazione dei cristalli nel cioccolato — lucentezza, consistenza e la croccantezza che i consumatori si aspettano — in pochi minuti, anziché nelle ore richieste dal temperaggio convenzionale. Approcci simili si studiano per la sterilizzazione delle attrezzature mediche, la depurazione di aria e acqua inquinate e l'efficienza energetica della produzione.
Un progetto come SCOPE non è fatto di soli chimici. Serve chi modella le reazioni al computer, chi progetta reattori, chi misura e confronta parametri, chi porta un processo dal banco di laboratorio alla scala industriale. Chimica, ingegneria chimica, scienza dei materiali, tecnologie dei processi: percorsi diversi che finiscono nello stesso laboratorio. E il lavoro quotidiano somiglia più a una lunga serie di prove controllate che a un'illuminazione improvvisa.
Il plasma non termico permette di far reagire molecole ostinate a temperature quasi ambientali, usando elettricità al posto del calore dei combustibili fossili. Con i catalizzatori giusti, SCOPE lo ha applicato alla fissazione dell'azoto, al metano e all'anidride carbonica, con un'impronta di carbonio più bassa fino a oltre il 90 %. Fuori dalla chimica di base la stessa tecnologia tocca semi, legno, cioccolato, sterilizzazione e depurazione: un campo giovane, in cui la distanza fra laboratorio e impianto è più corta del solito.
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