Una soluzione di celle a combustibile a idrogeno per un mondo inondato di piume

L’incombente crisi delle piume di pollo sta finalmente attirando l’attenzione della scienza, mentre i ricercatori esplorano i modi per estrarre mazzette di piume sporche, bagnate e di scarto per estrarre la preziosa proteina cheratina. In uno degli ultimi sviluppi, un team dell’ETH di Zurigo e della Nanyang Technological University Singapore Fans ha applicato una forma su misura di cheratina per realizzare membrane a base biologica per celle a combustibile a idrogeno a zero emissioni.

Le piume di pollo possono contenere una potente cella a combustibile a idrogeno

A livello globale, il gruppo di ricerca dell’ETH/Nanyang stima che 40 milioni di tonnellate di piume di pollo vengano incenerite ogni anno per mancanza di qualcosa di meglio da fare con loro.

La squadra ha trovato qualcosa di meglio da fare con loro. Tuttavia, utilizzare la cheratina per fabbricare membrane per celle a combustibile a idrogeno non è così semplice come sembra, considerando l’ambiente gravoso di una cella a combustibile.

Prima di essere trasformata in membrane, i ricercatori hanno trasformato la cheratina derivata dalle piume sotto forma di fibre estremamente fini chiamate fibrille amiloidi. Se questo vi dice qualcosa, potreste pensare alle fibrille di amiloide depositate su organi e tessuti del corpo umano, che sono tipicamente indicative di una condizione patologica.

Come spiegato dal nostro amico del National Institutes of Health degli Stati Uniti, le fibrille di amiloide sono associate, tra le altre cose, alla malattia della mucca pazza. Tuttavia, hanno anche un superpotere segreto.

“Le fibrille amiloidi sono estremamente stabili e resistenti alla degradazione. È stato descritto che hanno una resistenza alla trazione simile a quella dell’acciaio, una proprietà che condividono con il loro cugino strutturale, la seta”, osserva NIH.

Ciò spiega perché la nuova membrana a base biologica ricavata dalle piume di pollo è di casa nel mondo accidentato delle celle a combustibile a idrogeno. Le celle a combustibile generano elettricità attraverso una reazione tra idrogeno e ossigeno ambientale, guidata da un catalizzatore. La membrana in una cella a combustibile svolge un ruolo centrale ed è meglio che sia all’altezza.

“Esso [the membrane] consente il passaggio dei protoni ma blocca gli elettroni, costringendoli a fluire attraverso un circuito esterno dall’anodo caricato negativamente al catodo caricato positivamente, producendo così una corrente elettrica”, spiega l’ETH.

Più piume di pollo per più celle a combustibile a idrogeno

Per quanto riguarda cosa fare con le piume avanzate, è una buona domanda. Secondo l’ETH, le piume di pollo sono costituite per il 90% da cheratina. Ciò lascia ancora il 10% dei 40 milioni di tonnellate di rifiuti post-cheratina da smaltire ogni anno.

A parte questo, il team ETH/Nanyang non è l’unico gruppo interessato all’applicazione delle piume di pollo alle celle a combustibile a idrogeno.

Già nel 2009, CleanTechnica ne hanno preso atto quando un gruppo di ricercatori dell’Università del Delaware ha vinto un modesto finanziamento per utilizzare la cheratina delle piume di pollo come mezzo di stoccaggio dell’idrogeno per i veicoli elettrici a celle a combustibile.

I ricercatori si sono posti l’obiettivo di soddisfare i parametri di riferimento del Dipartimento dell’Energia in termini di costi e capacità. Le piume di pollo erano una buona scommessa, in parte perché l’uso di un materiale di origine biologica potrebbe aiutare a risolvere i costi che affliggono altri materiali, compresi i costi di smaltimento a fine vita.

“Per risolvere il problema dello stoccaggio di H2 nelle automobili a celle a combustibile, sono stati studiati e prodotti vari tipi di materiali nanostrutturati, nessuno dei quali potrebbe soddisfare completamente questi obiettivi”, ha osservato il team. “I loro metodi di smaltimento e la degradabilità sono ancora un grande punto interrogativo. Inoltre, i prezzi di questi materiali sono estremamente elevati”.

Costruire un migliore sistema di stoccaggio dell’idrogeno

Il team dell’UD ha esposto la cheratina derivata dalle piume a un trattamento ad alto calore per carbonizzarla per lo stoccaggio dell’idrogeno. Il risultato finale è stato un materiale con una superficie molto più ampia rispetto alle fibre di cheratina grezza.

“Quando le piume di pollo a base di cheratina vengono trattate termicamente mediante pirolisi controllata, si formano microtubi cavi di carbonio con pareti nanoporose”, ha spiegato il team. “La loro area superficiale aumenta sostanzialmente grazie alla formazione di frattali e micropori consentendo così un maggiore assorbimento di idrogeno rispetto alle fibre di piume non trattate”.

Quella particolare idea sembra essere caduta nel dimenticatoio all’UD, ma altri l’hanno ripresa. Nel 2019, ad esempio, l’Istituto di fisica ha ospitato una presentazione sul tema delle piume di pollo carbonizzate come mezzo di stoccaggio dell’idrogeno.

Una piuma di pollo per domarli tutti

Le celle a combustibile a idrogeno sono solo un ramo della saga delle piume di pollo.

Il Dipartimento dell’Agricoltura degli Stati Uniti è alla ricerca di una soluzione alla crisi delle piume di pollo già nel 2000, quando ha valutato uno sforzo per riciclare le piume per qualsiasi cosa, dai filtri e pannolini agli isolanti e imbottiture per tappezzeria.

Sembra che quell’idea si sia persa da qualche parte, ma nel 2009 i ricercatori dell’USDA stavano esplorando l’idea di realizzare vasi da fiori biodegradabili con piume di pollo. Le piume di pollo sono una fonte significativa di azoto e cheratina, l’idea è quella di compostare i vasi alla fine della loro vita.

Le piume di pollo carbonizzate sono state studiate anche per numerosi altri usi, tra cui batterie per veicoli elettrici e plastica a base biologica.

La ricerca di una soluzione di upcycling include anche l’impiego di proteine ​​derivate dalle piume per produrre tessuti. L’anno scorso un gruppo di ricerca nel Nebraska ha riportato progressi significativi nel loro progetto dalla piuma al tessile, anche se permangono ancora delle sfide.

L’anno scorso un gruppo di ricerca multinazionale ha anche pubblicato uno studio sull’uso delle piume di pollo come fonte biologica e relativamente poco costosa di rivestimenti impermeabili per imballaggi alimentari.

L’Unione Europea è determinata a risolvere la crisi delle piume di pollo

L’UE è emersa come punto caldo dell’attività delle piume di pollo lo scorso maggio, quando ha lanciato una nuova collaborazione chiamata UNLOCK. La nuova iniziativa mira a estrarre la cheratina dai 3,6 milioni di tonnellate di piume generate ogni anno dall’industria avicola europea.

Il progetto è gestito dall’organizzazione di ricerca indipendente spagnola Fondazione CIDETEC, la quale rileva che solo il 25% circa delle piume europee viene riutilizzato. Mangimi e fertilizzanti sono gli usi principali delle piume recuperate nell’UE. Il resto va sprecato.

UNLOCK si è posta l’obiettivo di catturare una maggiore quantità di rifiuti e di riciclare le piume in vassoi per semi, tessuti non tessuti, pellicole per pacciamatura, schiume idroponiche e altri materiali utilizzati dall’industria agricola.

Anticipano inoltre i benefici a fine vita derivanti dall’azoto rilasciato nel suolo quando i prodotti vengono biodegradati.

Celle a combustibile a idrogeno: la prossima generazione

La conclusione dell’iniziativa UNLOCK è prevista per il 2025, quindi rimanete sintonizzati per ulteriori informazioni al riguardo. Nel frattempo, continua la ricerca di materiali più sostenibili per le celle a combustibile a idrogeno.

La parte dell’idrogeno nell’equazione comincia ad essere sotto controllo. Il gas naturale è ancora la principale fonte di approvvigionamento globale, ma stanno emergendo fonti alternative tra cui acqua e biomassa (vedi molto di più CleanTechnica copertura qui).

Trovare alternative alle membrane utilizzate nelle celle a combustibile a idrogeno è tutta un’altra faccenda. Il polimero brevettato Nafion ha dettato legge sin da quando è stato inventato negli anni ’60. Il marchio è di proprietà di Chemours, nata da DuPont nel 2015.

Dov’è il Congresso?

Naturalmente, nessuna storia sulle piume di pollo e sulle celle a combustibile a idrogeno sarebbe completa senza menzionare la Camera dei Rappresentanti degli Stati Uniti, dove la maggioranza repubblicana ha dato ai pazzi il potere di gestire il manicomio.

I membri repubblicani del Congresso hanno licenziato il deputato Kevin McCarthy dall’importantissimo incarico di presidente il 4 ottobre, e la Camera non potrà condurre i normali affari finché non lo sostituiranno, cosa che sembrano determinate a non fare.

Va tutto bene per qualsiasi membro del Congresso che mira a ricavare hashish dalla democrazia più potente del mondo moderno (avviso spoiler: tutti questi repubblicani), ma il resto di noi vorrebbe sapere per quanto tempo queste persone si aspettano di farlo. riscuotono i loro stipendi da noi contribuenti senza svolgere alcun lavoro vero e proprio.

Immagine: nuova membrana a base biologica per celle a combustibile a idrogeno per gentile concessione di ETH/Nanyang.

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