ASTROFISICA AL SERVIZIO DEL CLIMA

Ridurre le emissioni? La risposta nelle stelle

Cos’hanno in comune l’atmosfera di Titano e i motori a combustione delle nostre auto? La produzione di particolari molecole, gli idrocarburi policlici aromatici – fra cui il benzene – alla base di molti inquinanti ambientali. L’esatto meccanismo di formazione di queste molecole, nello spazio e nei motori, è stato per la prima volta riprodotto in laboratorio e potrebbe rivelarsi decisivo per la produzione di motori più puliti. I risultati su Science Advances

     11/06/2021
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In occasione della Giornata della Terra 2021 – celebrata lo scorso 22 aprile – i premi Nobel hanno lanciato un appello ai leader mondiali del Summit sul clima: lasciate i combustibili fossili nel sottosuolo. Fermate l’espansione di carbone, petrolio e gas, i principali responsabili della catastrofe climatica alla quale stiamo già assistendo. Il primo passo, sensibilizzare e responsabilizzare i governi affinché gli investimenti siano sempre più dedicati alle energie rinnovabili.

Gli autori Musahid Ahmed (a sinistra) e Wenchao Lu al Berkeley Lab, il laboratorio in cui sono riusciti a interrompere “l’auto-reazione radicale propargile” prima della formazione della fuliggine. Crediti: Thor Swift/Berkeley Lab

«Insieme, dobbiamo ascoltare la scienza e affrontare il momento» disse in quell’occasione in presidente degli Stati Uniti Biden. I governi e gli scienziati, dunque. Una relazione non sempre semplice e lineare, l’abbiamo certamente visto nell’ultimo anno e mezzo. Gli scienziati, dalla loro, continuano a studiare metodi e soluzioni – alcune volte un po’ esotiche – per comprendere il problema in ogni sua sfaccettatura. In un recente articolo pubblicato su Science Advances si indaga l’origine di alcune molecole note come idrocarburi policiclici aromatici (Pah), fondamentali nei processi di formazione delle molecole nella nostra galassia, ma coinvolti anche nei processi di combustione fossile che avvengono, fra le altre cose, nei gas di scarico delle nostre automobili. La risposta, dunque, potrebbe venire dalle stelle.

Procediamo con ordine. Per quasi mezzo secolo, astrofisici e chimici organici sono stati a caccia delle origini del C6H6, l’anello del benzene – un’elegante molecola esagonale composta da 6 atomi di carbonio e 6 di idrogeno, che secondo gli astrofisici sarebbe l’elemento costitutivo fondamentale dei Pah. Nello spazio, i Pah sono fra i composti più elementari prodotti dall’esplosione di stelle morenti e ricche di carbonio e sono alla base della sintesi delle prime forme di carbonio – nonché i precursori delle molecole coinvolte nella formazione delle prime forme di vita sulla Terra. I Pah, però, hanno anche un lato oscuro. I processi industriali che avvengono nelle raffinerie di petrolio greggio e il funzionamento dei motori a combustione a gas, infatti, emettono anche questi composti, che si trasformano in inquinanti atmosferici tossici come la fuliggine.

Come avvengano esattamente questi due processi – ovvero come si sia generato il primo anello di benzene nelle stelle nell’universo primitivo e come i motori a combustione inneschino la reazione chimica che altera l’anello di benzene in particelle inquinanti – non è ancora chiaro agli scienziati.

La spiegazione più accreditata coinvolge un particolare tipo di radicale libero estremamente reattivo, il propargile (C3H3): la sua propensione a perdere un elettrone lo porterebbe, secondo gli scienziati, a ricombinarsi facilmente con un suo simile dando origine al primo anello aromatico, il benzene.

Nel nuovo studio, i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), dell’Università delle Hawaii e della Florida International University hanno condotto la prima misura in laboratorio e in tempo reale di particelle instabili chiamate radicali liberi che reagiscono in condizioni simili a quelle che si verificano nel cosmo, spingendo gli atomi di carbonio e idrogeno elementari a fondersi in anelli di benzene primari. Si tratta dunque della prima dimostrazione della cosiddetta “auto-reazione del radicale propargile” – l’indiziata menzionata in precedenza – in condizioni astrochimiche e di combustione.

Le condizioni ambientali simili, per pressione e temperatura, a quelle che si verificano nei motori a combustione, così come nell’atmosfera ricca di idrocarburi di Titano – una delle lune di Saturno, ad esempio – sono state riprodotte in laboratorio utilizzando un reattore chimico ad alta temperatura e delle dimensioni di una moneta, chiamato “ugello caldo”. Gli scienziati hanno osservato direttamente la formazione di isomeri – molecole con la stessa formula chimica ma diverse strutture atomiche – da due radicali propargili che portano all’anello del benzene, riuscendo anche ad arrestare l’auto-reazione del radicale propargile – che si svolge in microsecondi – appena prima che si formassero i Pah più grandi e la successiva fuliggine.

Un primo passo, questo, verso la comprensione di come si siano evoluti, nell’universo, i composti di carbonio e – perché no – una mano tesa all’industria automobilistica affiché si comincino a realizzare motori a combustione più puliti. Avere motori a gas più efficienti, dicono infatti gli esperti, è ancora importante, perché potrebbero essere necessari altri 25 anni prima di poter sostituire l’intera flotta di auto a gas con veicoli elettrici. Inoltre, equipaggiare gli aerei e la componente a gas dei veicoli ibridi con motori a combustione più puliti potrebbe aiutare a ridurre sensibilmente le emissioni di CO2.

Per quel che riguarda l’astrofisica, infine, questi risultati sarebbero fondamentali per tracciare una mappa del carbonio nell’universo, e comprendere le origini cosmiche delle strutture di carbonio del Dna.

 

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