La fotosintesi si è evoluta nelle piante per milioni di anni per trasformare l’acqua, l’anidride carbonica e l’energia della luce solare in biomassa vegetale e negli alimenti che mangiamo. Questo processo, tuttavia, è molto inefficiente: solo l’1% circa dell’energia contenuta nella luce solare finisce nella pianta. Gli scienziati dell’UC Riverside e dell’Università del Delaware hanno trovato un modo per bypassare del tutto la necessità della fotosintesi biologica e creare cibo indipendentemente dalla luce solare utilizzando la fotosintesi artificiale.
Figure: Plants are growing in complete darkness in an acetate medium that replaces biological photosynthesis. (Marcus Harland-Dunaway/UCR)
La ricerca, pubblicata su Nature Food, utilizza un processo elettrocatalitico in due fasi per convertire l’anidride carbonica, l’elettricità e l’acqua in acetato, il componente principale dell’aceto. Gli organismi produttori di cibo consumano quindi l’acetato al buio per crescere. Combinato con pannelli solari per generare l’elettricità che alimenta l’elettrocatalisi, questo sistema ibrido organico-inorganico potrebbe aumentare l’efficienza di conversione della luce solare in cibo, fino a 18 volte più efficiente per alcuni alimenti.
Per integrare tutti i componenti del sistema, l’uscita dell’elettrolizzatore è stata ottimizzata per sostenere la crescita di organismi che producono cibo. Gli elettrolizzatori sono dispositivi che utilizzano l’elettricità per convertire materie prime come l’anidride carbonica in molecole e prodotti utili. La quantità di acetato prodotto è stata aumentata, mentre la quantità di sale utilizzata è stata diminuita, ottenendo i più alti livelli di acetato mai prodotti in un elettrolizzatore fino ad oggi.
Gli esperimenti hanno dimostrato che è possibile coltivare al buio un’ampia gamma di organismi che producono cibo direttamente sull’output dell’elettrolizzatore ricco di acetato, tra cui alghe verdi, lieviti e miceli fungini che producono funghi. La produzione di alghe con questa tecnologia è circa quattro volte più efficiente dal punto di vista energetico rispetto alla coltivazione fotosintetica. La produzione di lievito è circa 18 volte più efficiente dal punto di vista energetico rispetto alla coltivazione tipica con lo zucchero estratto dal mais.
È stato anche studiato il potenziale dell’impiego di questa tecnologia per la coltivazione di piante coltivate. Cowpea, pomodoro, tabacco, riso, canola e pisello verde sono stati tutti in grado di utilizzare il carbonio dall’acetato quando coltivati al buio.
Liberando l’agricoltura dalla completa dipendenza dal sole, la fotosintesi artificiale apre le porte a innumerevoli possibilità di coltivare cibo nelle condizioni sempre più difficili imposte dal cambiamento climatico antropogenico. La siccità, le inondazioni e la ridotta disponibilità di terreno sarebbero una minaccia minore per la sicurezza alimentare globale se le colture per gli esseri umani e gli animali crescessero in ambienti controllati che richiedono meno risorse. Le colture potrebbero essere coltivate anche nelle città e in altre aree attualmente non adatte all’agricoltura, e persino fornire cibo ai futuri esploratori dello spazio.
Questo approccio alla produzione alimentare è stato presentato alla Deep Space Food Challenge della NASA, dove è risultato vincitore della Fase I. Il Deep Space Food Challenge è un concorso internazionale in cui vengono assegnati premi alle squadre che creano tecnologie alimentari innovative e rivoluzionarie che richiedono input minimi e massimizzano la produzione di cibo sicuro, nutriente e gradevole per le missioni spaziali di lunga durata.
