La spina nel fianco dell'agricoltura: il processo Haber-Bosch

Immaginate il "Giardino dell'Eden" dell'agricoltura: campi rigogliosi, raccolti abbondanti. Questo sogno è reso possibile dalla fertilizzazione costante, in particolare con l'azoto. All'inizio del XX secolo, Fritz Haber e Carl Bosch hanno rivoluzionato il settore con il loro processo, capace di estrarre l'azoto dall'aria (una risorsa apparentemente inesauribile) e di "legarlo" sotto forma di ammoniaca. Fu un traguardo scientifico enorme, che valse loro il Nobel per la Chimica nel 1918.
Il processo Haber-Bosch, ancora oggi dominante, funziona così: utilizza un catalizzatore a base di ferro, pressioni elevatissime e temperature che possono raggiungere i 500 gradi Celsius. In queste condizioni estreme, l'azoto atmosferico si lega all'idrogeno per produrre ammoniaca. Per un confronto, la natura ha già perfezionato questo processo: alcune piante, in simbiosi con minuscoli batteri nelle loro radici, sanno come fissare l'azoto atmosferico in modo climaticamente neutro per la loro crescita. Ma l'uomo, finora, non ci è riuscito con la stessa efficienza "verde".

"Il processo Haber-Bosch è estremamente energivoro", spiega il Prof. Dr. Nikolay Kornienko, dell'Istituto di Chimica Inorganica dell'Università di Bonn. "La produzione di ammoniaca si basa prevalentemente sui combustibili fossili, il che significa che le emissioni di gas serra sono corrispondentemente elevate. Per raggiungere l'obiettivo di una società sostenibile e climaticamente neutra, la ricerca di processi alternativi di sintesi dell'ammoniaca è una priorità."
Questo punto è cruciale: la maggior parte dell'energia usata proviene da fonti fossili, contribuendo in modo significativo alle emissioni di gas serra. Per questo, la ricerca di alternative è diventata una corsa contro il tempo per la sostenibilità.

Dal metano all'acqua: fertilizzante azotato da sole e vento

Gli scienziati non sono rimasti a guardare. Da tempo si sperimentano metodi alternativi per sostituire la sintesi di ammoniaca Haber-Bosch con un processo che utilizzi energia rinnovabile. L'idea è semplice ma potente: l'idrogeno necessario non verrebbe più dal metano, ma dalla scissione elettrica dell'acqua (H₂O) in idrogeno (H₂) e ossigeno (O₂). Semplice a dirsi, molto meno a farsi. La produzione di ammoniaca su larga scala utilizzando energia eolica e solare presenta una serie di "trappole" chimiche.

La reazione di riduzione dell'azoto mediata dal litio (LiNRR) è considerata il metodo più robusto per elettrificare la sintesi di ammoniaca. Come spiega Hossein Bemana, autore principale dello studio, in questo sistema, gli ioni di litio (Li⁺) vengono ridotti elettrochimicamente a uno strato di litio metallico. Questo litio metallico può quindi reagire con l'azoto gassoso (N₂) per formare un composto litio-azoto. Se è disponibile una fonte di idrogeno, il composto litio-azoto viene convertito in ammoniaca (NH₃) e ioni litio disciolti, e il processo ricomincia. Almeno in teoria.

"Generalmente consideriamo questo sistema come un modello per il momento, poiché ci sono diverse difficoltà pratiche," ammette Kornienko.

Tra le principali sfide, la necessità di un'alta tensione per ridurre gli ioni litio a litio metallico, che limita l'efficienza energetica a circa il 25%. Inoltre, il sistema deve operare in un ambiente privo di aria e acqua, poiché il litio metallico è altamente reattivo. Un'altra difficoltà è la crescita di uno strato poroso di interfase elettrolitica solida (SEI) sullo strato di litio, simile a quanto accade nelle batterie. Questo strato deve permettere all'azoto gassoso e all'idrogeno di passare come reagenti al litio.

Il "Sacrificio Sbagliato" e la svolta del palladio

Il vero ostacolo, finora, era la fonte di idrogeno. Idealmente, l'idrogeno dovrebbe provenire direttamente dalla scissione dell'acqua. Ma in questi sistemi, spesso si utilizzano alcoli come fonte di idrogeno, o il solvente stesso si decompone fungendo da fonte. "Questo rende il sistema poco pratico, poiché diverse molecole di alcol o solvente devono essere 'sacrificate' per produrre ammonio," spiega il chimico. Questo "sacrificio sbagliato" rendeva il processo ancora poco sostenibile a livello economico e ambientale.
Ma i ricercatori di Bonn hanno trovato la chiave di volta: un modo per estrarre l'idrogeno direttamente dalla scissione dell'acqua e trasferirlo all'azoto. Hanno utilizzato una lamina di palladio (Pd) come elettrodo e come membrana. "Il palladio può fungere da membrana perché permette agli atomi di idrogeno di passare attraverso," riferisce Kornienko. Nel loro esperimento, la lamina di palladio ha separato un ambiente di reazione anidro (dove avvengono le reazioni LiNRR) da un ambiente di reazione basato sull'acqua. "Alla fine, siamo stati in grado di estrarre elettrochimicamente gli atomi di idrogeno direttamente dall'acqua e trasferirli al materiale reattivo litio/litio-azoto per produrre ammoniaca," afferma il chimico.
Per verificare l'efficacia del processo, hanno utilizzato spettroscopia a infrarossi e spettrometria di massa. Hanno sostituito l'idrogeno dell'acqua con un isotopo pesante (deuterio = D), producendo ND₃ invece di NH₃. Al contrario, etichettando le molecole nel compartimento LiNRR con D al posto di H, hanno ottenuto NH₃, confermando che l'idrogeno proveniva dalla fonte d'acqua desiderata.

Dalla scoperta al brevetto, un lungo ma promettente percorso

Hossein Bemana e Nikolay Kornienko hanno già depositato la domanda di brevetto per questo processo. Sebbene il team di ricerca abbia utilizzato solo elettricità per produrre ammoniaca nei loro esperimenti, il percorso è ancora lungo prima che il fertilizzante azotato desiderato possa essere prodotto economicamente da fonti di energia rinnovabile. Per raggiungere una produzione su scala industriale, gli scienziati dovrebbero ottenere un rendimento 1.000 volte superiore a quello degli esperimenti attuali.

"Siamo ancora nelle fasi iniziali", conclude il chimico. "In generale, la ricerca deve concentrarsi sui tassi di reazione e sulla selettività del sistema, cioè sul controllo degli elettroni verso il target desiderato."

Nonostante la strada sia ancora in salita, questa innovazione apre scenari entusiasmanti per un'agricoltura e un'industria chimica molto più sostenibili, riducendo l'impronta di carbonio della produzione alimentare e contribuendo in modo significativo agli obiettivi climatici globali.