Trasformazione del lignin in carburante per aerei sostenibile al 100%
(METEOGIORNALE.IT) Il team di ricerca del MIT sta lavorando su un metodo innovativo per convertire il lignin, un prodotto di scarto vegetale, in carburante per aviazione completamente sostenibile utilizzando un nuovo catalizzatore. Questa scoperta potrebbe rivoluzionare l’industria dell’aviazione fornendo un’alternativa di carburante rinnovabile.
Il problema delle emissioni di CO2 nel settore dei trasporti
Circa un quarto delle emissioni globali di anidride carbonica nel 2021 proveniva dal settore dei trasporti, con l’aviazione che contribuisce in modo significativo. Sebbene l’uso crescente di veicoli elettrici stia contribuendo a ridurre l’inquinamento del trasporto terrestre, le batterie attuali non possono competere con gli idrocarburi liquidi derivati dai combustibili fossili in termini di energia fornita per chilogrammo di peso, un fattore critico quando si tratta di volare. Nel frattempo, sulla base della crescita prevista della domanda di viaggi, si prevede che il consumo di carburante per jet raddoppierà tra oggi e il 2050, anno in cui l’industria dell’aviazione internazionale si è impegnata a essere carbon neutral.
La sfida del carburante per aerei sostenibile
Molti gruppi hanno puntato a un carburante idrocarburico sostenibile al 100% per gli aerei, ma finora non c’è stato molto successo. Parte della sfida è che i carburanti per l’aviazione sono strettamente regolamentati. “Questa è una sottoclasse di carburanti che ha requisiti molto specifici in termini di chimica e proprietà fisiche del carburante, perché non si può rischiare che qualcosa vada storto in un motore di aereo”, afferma Yuriy Román-Leshkov, professore di ingegneria chimica. “Se stai volando a 9.000 metri, fuori fa molto freddo, e non vuoi che il carburante si addensi o si congeli. Ecco perché la formulazione è molto specifica.”
La composizione del carburante per aerei
Il carburante per aerei è una combinazione di due grandi classi di composti chimici. Circa il 75-90% è composto da molecole “alifatiche”, che consistono in lunghe catene di atomi di carbonio legati insieme. “Questo è simile a quello che troveremmo nei carburanti diesel, quindi è un idrocarburo classico che esiste”, spiega Román-Leshkov. Il restante 10-25% è costituito da molecole “aromatiche”, ognuna delle quali include almeno un anello composto da sei atomi di carbonio collegati.
Il ruolo degli idrocarburi aromatici
Nella maggior parte dei carburanti per trasporti, gli idrocarburi aromatici sono considerati una fonte di inquinamento, quindi vengono rimossi il più possibile. Tuttavia, nei carburanti per aviazione, alcune molecole aromatiche devono rimanere perché stabiliscono le necessarie proprietà fisiche e di combustione dell’intera miscela. Inoltre, svolgono un compito critico: assicurano che le guarnizioni tra i vari componenti nel sistema di alimentazione del carburante dell’aereo siano strette. “Gli aromatici vengono assorbiti dalle guarnizioni di plastica e le fanno gonfiare”, spiega Román-Leshkov. “Se per qualche motivo il carburante cambia, anche le guarnizioni possono cambiare, ed è molto pericoloso.”
Il problema della produzione di carburanti per aviazione sostenibili
Di conseguenza, gli aromatici sono un componente necessario, ma rappresentano anche un ostacolo nella creazione di carburanti per aviazione sostenibili, o SAF. Le aziende sanno come produrre la frazione alifatica da parti non commestibili di piante e altre fonti rinnovabili, ma non hanno ancora sviluppato un metodo approvato per generare la frazione aromatica da fonti sostenibili. Di conseguenza, c’è un “muro di miscelazione”, spiega Román-Leshkov. “Poiché abbiamo bisogno di quel contenuto aromatico, indipendentemente dalla sua fonte, ci sarà sempre un limite a quanto possiamo utilizzare degli idrocarburi alifatici sostenibili senza cambiare le proprietà della miscela”. Egli nota un muro di miscelazione simile con la benzina. “Abbiamo molto etanolo, ma non possiamo aggiungere più del 10% senza cambiare le proprietà della benzina. Infatti, i motori attuali non possono gestire nemmeno il 15% di etanolo senza modifiche.”
La ricerca sulla conversione del lignin
Negli ultimi cinque anni, comprendere e risolvere il problema dei SAF è stato l’obiettivo della ricerca di Román-Leshkov e del suo team del MIT, così come dei loro collaboratori presso la Washington State University, il National Renewable Energy Laboratory (NREL) e il Pacific Northwest National Laboratory. Il loro lavoro si è concentrato sul lignin, un materiale resistente che fornisce alle piante supporto strutturale e protezione contro microbi e funghi. Circa il 30% del carbonio nella biomassa si trova nel lignin, ma quando l’etanolo viene generato dalla biomassa, il lignin viene lasciato come prodotto di scarto.
La sfida della conversione del lignin
Nonostante gli sforzi valorosi, nessuno ha trovato un modo economicamente vantaggioso e scalabile per trasformare il lignin in prodotti utili, comprese le molecole aromatiche necessarie per rendere il carburante per jet completamente sostenibile. Perché no? Come dice Román-Leshkov, “È a causa della sua recalcitranza chimica”. È difficile farlo reagire chimicamente in modi utili. Di conseguenza, ogni anno milioni di tonnellate di lignin di scarto vengono bruciate come combustibile di bassa qualità, utilizzate come fertilizzante o semplicemente gettate via.
La soluzione proposta dal team del MIT
Per evitare questo esito, Román-Leshkov e il suo team utilizzano un altro approccio: utilizzano un catalizzatore per indurre una reazione chimica che normalmente non si verificherebbe durante l’estrazione. Reagendo la biomassa in presenza di un catalizzatore a base di rutenio, riescono a rimuovere il lignin dalla biomassa e a produrre un liquido nero chiamato olio di lignin. Questo prodotto è chimicamente stabile, il che significa che le molecole aromatiche in esso non reagiranno più l’una con l’altra.
Quindi, i ricercatori hanno ora spezzato con successo la macromolecola di lignin originale in frammenti che contengono solo uno o due anelli aromatici ciascuno. Tuttavia, mentre i frammenti isolati non reagiscono chimicamente, contengono ancora atomi di ossigeno. Pertanto, rimane un compito: trovare un modo per rimuovere gli atomi di ossigeno.
Il ruolo del catalizzatore a base di molibdeno
Alla fine, Román-Leshkov e il suo team hanno trovato un ingrediente speciale che avrebbe fatto il trucco: un catalizzatore a base di carburo di molibdeno. “È in realtà un catalizzatore davvero sorprendente perché può eseguire quelle tre azioni molto bene”, afferma Román-Leshkov. “Oltre a ciò, è estremamente resistente ai veleni. Le piante possono contenere molti componenti come proteine, sali e zolfo, che spesso avvelenano i catalizzatori in modo che non funzionino più. Ma il carburo di molibdeno è molto robusto e non è fortemente influenzato da tali impurità.”
Test in laboratorio e prossimi passi
Per testare il loro approccio in laboratorio, i ricercatori hanno prima progettato e costruito un reattore “a letto gocciolante” specializzato, un tipo di reattore chimico in cui sia i liquidi che i gas scorrono verso il basso attraverso un letto di particelle di catalizzatore. Hanno poi ottenuto biomassa da un pioppo, un tipo di albero noto come “coltura energetica” perché cresce rapidamente e non richiede molto fertilizzante.
Il processo di conversione del lignin
Per iniziare, hanno fatto reagire la biomassa di pioppo in presenza del loro catalizzatore a base di rutenio per estrarre il lignin e produrre l’olio di lignin. Hanno poi fatto fluire l’olio attraverso il loro reattore a letto gocciolante contenente il catalizzatore a base di carburo di molibdeno. La miscela che si è formata conteneva parte del prodotto target, ma anche molti altri che contenevano ancora atomi di ossigeno.
Basandosi su una serie di esperimenti che coinvolgono l’olio di lignin dalla biomassa di pioppo, i ricercatori hanno determinato le condizioni operative che danno il miglior risultato: 350 gradi Celsius nel primo passaggio e 375 C nel secondo passaggio. In queste condizioni ottimizzate, la miscela che si forma è dominata dai prodotti aromatici target, con il resto costituito da piccole quantità di altre molecole alifatiche di carburante per jet e alcune molecole contenenti ossigeno rimanenti. Il catalizzatore rimane stabile mentre genera più dell’87% (in peso) di molecole aromatiche.
Verifica delle proprietà del carburante prodotto
Rimane una domanda chiave: la miscela di componenti che si forma ha le proprietà richieste per il carburante per aerei? “Quando lavoriamo con questi nuovi substrati per produrre nuovi carburanti, la miscela che creiamo è diversa dal carburante per jet standard”, afferma Román-Leshkov. “A meno che non abbia le proprietà esatte richieste, non sarà qualificato per la certificazione come carburante per jet.”
Per controllare i loro prodotti, Román-Leshkov e il suo team inviano campioni alla Washington State University, dove un team gestisce un laboratorio di combustione dedicato al test dei carburanti. I risultati dei test iniziali sulla composizione e le proprietà dei campioni sono stati incoraggianti. Sulla base della composizione e degli strumenti e procedure di pre-screening pubblicati, i ricercatori hanno fatto previsioni iniziali sulle proprietà dei loro campioni, e sembravano buone. Ad esempio, il punto di congelamento, la viscosità e l’indice di fuliggine sono previsti per essere inferiori ai valori per gli aromatici per aviazione convenzionali. (In altre parole, il loro materiale dovrebbe fluire più facilmente ed essere meno incline a congelarsi rispetto agli aromatici convenzionali, mentre genera anche meno fuliggine nell’atmosfera quando brucia.) Nel complesso, le proprietà previste sono vicine o più favorevoli rispetto a quelle degli aromatici del carburante convenzionale.
Prossimi passaggi e impatto potenziale
I ricercatori stanno continuando a studiare come le loro miscele di campioni si comportano a diverse temperature e, in particolare, quanto bene svolgono quel compito chiave: assorbire e gonfiare le guarnizioni all’interno dei motori a reazione. “Queste molecole non sono le tipiche molecole aromatiche che si usano nel carburante per jet”, afferma Román-Leshkov. “I test preliminari con guarnizioni di campione mostrano che non c’è differenza in come i nostri aromatici derivati dal lignin gonfiano le guarnizioni, ma dobbiamo confermarlo. Non c’è margine di errore.”
Inoltre, lui e il suo team stanno lavorando con i loro collaboratori del NREL per aumentare le dimensioni dei loro metodi. Il NREL ha reattori molto più grandi e altre infrastrutture necessarie per produrre grandi quantità della nuova miscela sostenibile. Sulla base dei risultati promettenti finora, il team vuole essere preparato per ulteriori test richiesti per la certificazione dei carburanti per jet. Oltre a testare campioni di carburante, la procedura completa di certificazione richiede di dimostrare il suo comportamento in un motore in funzione – “non in volo, ma in laboratorio”, chiarisce Román-Leshkov. Oltre a richiedere grandi campioni, quella dimostrazione è sia dispendiosa in termini di tempo che costosa, motivo per cui è l’ultimo passo nei rigorosi test richiesti per l’approvazione di un nuovo carburante per aviazione sostenibile.
Román-Leshkov e i suoi colleghi stanno ora esplorando l’uso del loro approccio con altri tipi di biomassa, tra cui pino, switchgrass e stover di mais (le foglie, i gambi e le pannocchie rimaste dopo la raccolta del mais). Tuttavia, i loro risultati con la biomassa di pioppo sono promettenti. Se ulteriori test confermano che i loro prodotti aromatici possono sostituire gli aromatici ora presenti nel carburante per jet, “il muro di miscelazione potrebbe scomparire”, afferma Román-Leshkov. “Avremo un mezzo per produrre tutti i componenti nel carburante per aviazione da materiale rinnovabile, portando potenzialmente a un carburante per aerei che è sostenibile al 100%”. (METEOGIORNALE.IT)
