Che cosa hanno in comune l’osservazione dei processi fisici che governano l’Universo e la ricerca di nuove soluzioni per l’inquinamento atmosferico? Per Domenico Mangiacapra, astrofisico e responsabile dello sviluppo mondiale e dello scale-up di WiWell, il legame è inscritto nelle stesse leggi fisiche che regolano la materia, dalla scala cosmica a quella microscopica. È su questa continuità tra ricerca fondamentale e applicazione tecnologica che si concentra la nostra conversazione. Al centro c’è la fotocatalisi, un processo fotochimico studiato da decenni e oggi al centro di nuove sperimentazioni per la sanificazione degli ambienti e il controllo di alcuni contaminanti dell’aria. Il passaggio alla realtà è stato ambizioso: trasformare superfici, infrastrutture e materiali in elementi attivi nel miglioramento della qualità dell’ambiente, sfruttando la luce per innescare reazioni chimiche sulla superficie dei fotocatalizzatori. Una conversazione, dunque, sul modo in cui la scienza può uscire dai laboratori e misurarsi con uno dei problemi più concreti del nostro tempo: l’ambiente in cui viviamo e, prima ancora, l’aria che respiriamo.
Lei è astrofisico e oggi guida un’azienda impegnata nello sviluppo di tecnologie per migliorare la qualità dell’aria. Qual è il filo scientifico che collega lo studio dei processi fisici dell’Universo alla fotocatalisi applicata agli ambienti urbani, quali sono, secondo lei, le condizioni necessarie perché una tecnologia nata dall’incontro tra fisica, chimica e scienza dei materiali possa tradursi in un beneficio ambientale misurabile?
Le leggi della fisica sono le stesse in ogni contesto ed in ogni punto dell’Universo, sia sulle stelle sia sul nostro pianeta. E la conoscenza che abbiamo delle leggi della scienza ci permette di studiare la realtà, spesso drammatica, del nostro pianeta e utilizzarla per migliorare la nostra qualità ed aspettativa di vita, a partire dall’aria che respiriamo continuamente sin dal momento della nostra nascita. La fotocatalisi, un processo fisico assolutamente naturale, permette di intervenire drasticamente sulla qualità dell’aria che gli esseri umani, e non solo, respirano. L’effetto è un immediato miglioramento che possiamo sintetizzare in tre aspetti differenti: sanificazione (riduzione di batteri, virus, funghi odori,…), polveri sottili (riduzione delle micro particelle dannose per il nostro sistema respiratorio a partire dal PM2.5 che la principale causa di tumori e malattie alle nostre vie respiratorie), gas serra (riduzione del metano che uno dei tre gas serra che stanno contribuendo al riscaldamento globale del nostro pianeta). Storicamente la fotocatalisi viene scoperta inGiappone nel 1972, viene studiata e sperimentata in laboratorio. Poi iniziano le applicazioni, principalmente negli spazi chiusi, uffici, scuole, mezzi di trasporto, con focus sulla sanificazione dove i benefici sono immediatamente misurabili e respirabili. La nuova frontiera è l’applicazione della fotocatalisi in ambienti outdoor, all’aperto, per contrastare l’inquinamento atmosferico, polveri sottili e gas serra. In laboratorio i risultati sono eclatanti ma la misurazione degli effetti reali all’aria aperta è molto complessa in quanto richiede superfici fotocatalitiche importanti in termini di dimensioni e sistemi di misurazione sul lungo periodo. Probabilmente la prima sperimentazione mondiale per misurare gli effetti reali in ambiente aperto sarà fatta in Europa con utilizzo anche del sistema satellitare europeo COPERNICUS costruito appositamente per misurare dallo spazio la qualità dell’aria in ogni punto della Unione Europea.
Il principio della fotocatalisi è apparentemente semplice: la luce attiva un materiale come il biossido di titanio, innescando reazioni di ossidazione capaci di trasformare determinati contaminanti. Ma cosa avviene, a livello microscopico, sulla superficie del fotocatalizzatore? Quali specie reattive dell’ossigeno vengono generate e quali sono i parametri — intensità e spettro della luce, umidità, temperatura, natura del materiale e concentrazione degli inquinanti — che determinano l’effettiva velocità e l’efficienza del processo?
Cerco di rispondere con un linguaggio semplice. A livello microscopico, la fotocatalisi sul biossido di titanio trasforma la superficie del materiale in una vera e propria centrale elettrochimica nanometrica. Il processo si sviluppa attraverso una sequenza precisa di eventi quantistici e chimici. E’ importante sottolineare che la fotocatalisi inizia quando la luce, un fotone, colpisce un elettrone del biossido di titanio, facendolo “fuggire” o “liberandolo” dall’atomo. Quindi è fondamentale che il biossido di titanio si trovi in superficie del materiale che lo contiene, altrimenti non verrebbe colpito dalla luce. Per questo al momento i materiali fotocatalitici devono essere materiali non assorbenti, altrimenti il biossido di titanio prima o poi verrebbe assorbito all’interno del materiale perdendo la possibilità di essere colpito dai fotoni. Questi elettroni, tecnicamente entrano in quella che si chiama “banda di conduzione”, reagiscono con le molecole dell’aria che colpiscono la superficie fotocatalitica. L’aria non è ferma ma le molecole d’aria si muovono vorticosamente, si chiama moto convettivo, e colpiscono continuamente tutte le superfici che sono presenti. Una delle molecole più abbondanti nell’aria è quella dell’acqua, la chiamiamo anche umidità, e questi elettroni la trasformano, ad esempio, in acqua ossigenata: e l’acqua ossigenata è il più diffuso e più semplice sistema per disinfettare che tutti noi usiamo anche in casa quando abbiamo una piccola ferita. Queste nuove molecole generate, tra cui l’acqua ossigenata, chiamate radicali liberi, attaccano i legami chimici degli inquinanti organici, come i batteri ad esempio, frammentandoli progressivamente fino a ottenere sottoprodotti innocui, idealmente anidride carbonica e acqua. L’intensità della fotocatalisi è tanto più intensa tanto più ci sono fotoni, quindi maggiore è l’intensità della luce e meglio ancora se lo spettro della luce è verso il blu che ha più energia di quella verso il rosso. Poi, ovviamente, l’effetto è tanto più intenso se il livello di umidità è alto e se la circolazione dell’aria nella stanza è intensa: più velocemente l’aria si muove più è frequente l’impatto con la superficie fotocatalitica che genera la sanificazione e purificazione.
Una delle sfide della ricerca applicata è passare dai risultati ottenuti in laboratorio alle condizioni complesse di un ambiente reale. Nel caso della fotocatalisi, quanto cambia l’efficacia quando si passa da una camera di prova a una strada trafficata, a una facciata esposta agli agenti atmosferici o a un ambiente indoor? Quali metodologie utilizzate per misurare e certificare l’abbattimento di COV, inquinanti atmosferici, batteri e virus, evitando che risultati di laboratorio vengano interpretati come prestazioni generalizzabili senza adeguate verifiche?
Negli ambienti indoor oramai non è più un problema il passaggio dalle camere di prova agli ambienti reali. Recentissimamente con la nostra tecnologia abbiamo completamente eliminato i batteri da una delle più grandi terapie intensive in Europa, e le infezioni batteriche sono la principale causa di mortalità nelle terapie intensive. La vera sfida, ancora quasi completamente inesplorata, è il passaggio dai laboratori alla realtà nelle situazioni outdoor. Questo perché la qualità dell’aria cambia in funzione di numerosi e imprevedibili fattori all’esterno, il vento, la pressione atmosferica, le condizioni meteo, il livello e la tipologia di traffico stradale, il tipo di sistemi di riscaldamento utilizzati se siamo in inverno, la tipologia di distretti industriali nelle vicinanze e così via, per cui la misurazione e la assegnazione degli effetti dovuti alla fotocatalisi è complessa e richiede una misurazione continua nel lungo periodo. Inoltre diventa determinante la tipologia di tecnologia fotocatalitica utilizzata perché non tutte sono “potenti” e “durature”. Ad esempio gli asfalti o i cementi fotocatalitici, dove il biossido di titanio viene mischiato agli altri elementi, hanno solo una parte del biossido di titanio che arriva sulla superficie ed inoltre, in particolare l’asfalto, sottoposti agli eventi atmosferici e agli effetti del traffico nel tempo perdono l’efficacia. Per le applicazioni outdoor è fondamentale utilizzare tecnologie fotocatalitiche “potenti” e “durature”; e sono orgoglioso che proprio in Italia sia stata brevettata a livello mondiale questa tecnologia che sta per essere applicata, addirittura con accordi con alcuni Governi, in maniera estensiva sulle infrastrutture delle nazioni. Per quanto riguarda le misurazioni reali si utilizzano in ambito sanitario gli stessi strumenti che si utilizzano per misurare le cariche batteriche o virali, mentre in ambito qualità dell’aria vi sono ormai innumerevoli sensori che misurano in tempo reale i vari parametri come VOC, polveri sottili, anidride carbonica, e molti di questi sono anche accessibili via internet. Inoltre l’Unione Europea è stata la prima a inviare nello spazio una costellazione di satelliti che monitorano in tempo reale le condizioni dell’aria in Europa e questi dati sono fondamentali per un confronto storico.
L’integrazione della fotocatalisi in pitture, cementi, piastrelle e altri materiali può trasformare edifici e infrastrutture in superfici funzionali. Quale ruolo possono avere queste tecnologie nelle smart cities del prossimo decennio? E, soprattutto, come dovrebbe essere progettata una città nella quale materiali fotocatalitici, monitoraggio della qualità dell’aria, mobilità elettrica, gestione dei flussi di traffico e sistemi di sensoristica lavorino insieme, invece di essere considerati interventi tecnologici separati?
Premesso che vi sono diverse tecnologie fotocatalitiche e a seconda del contesto è meglio utilizzarne una piuttosto che un’altra, è chiaro che al momento la soluzione fotocatalitica rappresenta un immediato, potente e rapido sistema per attenuare gli effetti negativi del cambiamento climatico. Ricordo che la fotocatalisi è un processo naturale e non ha bisogno di energia per essere attivato se non la luce naturale o artificiale. A livello di Smart City vi sono due elementi principali: il primo è utilizzare le superfici e le infrastrutture già esistenti, rendendole fotocatalitiche, come ad esempio la segnaletica stradale. Questo, ad esempio, è già allo studio in una principale città europea. Il secondo è inserire la fotocatalisi come tecnologia nelle linee guida delle nuove costruzioni, delle nuove infrastrutture, dei nuovi sistemi di trasporto, di modo che tutto il “nuovo” diventa purificante. Questo è già allo studio principalmente nei paesi asiatici dove il problema dell’inquinamento e del cambiamento climatico è molto più grave che in Europa. La progettazione di una Smart City richiede una visione d’insieme dove ciascuna componente è interconnessa con tutte le altre, con un obiettivo che e’ cambiato rispetto alle Smart City di tempo fa passando dall’efficienza alla resilienza. E in questo contesto la fotocatalisi diventa il “polmone” che attenua fortemente gli impatti sulla popolazione delle grandi perturbazioni, che siano pandemiche o tempeste di inquinanti, mantenendo nel tempo i suoi effetti benefici.
La fotocatalisi promette applicazioni che vanno dalla purificazione dell’aria al trattamento delle acque, fino alla realizzazione di superfici autopulenti e funzionali. Quali sono oggi i principali ostacoli scientifici e tecnologici — efficienza sotto la luce solare o artificiale, durabilità dei materiali, selettività delle reazioni, sottoprodotti, costi o standardizzazione delle prestazioni — che impediscono a queste soluzioni di raggiungere una diffusione ancora più ampia?
Il limite principale ad oggi è la “giovinezza” della tecnologia. E’ vero che la fotocatalisi è conosciuta e ben studiata dagli anni ‘70 del secolo scorso ma è anche vero che le applicazioni di mercato sono molto recenti. La nostra prima soluzione è del 2020 e le prime installazioni fatte, in particolare nei sistemi di trasporto in ottica anti-covid, tutt’ora dopo cinque anni funzionano benissimo. Il nostro nuovo brevetto mondiale, evoluzione della nostra tecnologia precedente e che sta iniziando ad essere adottato da alcune nazioni, è solo del 2025. Questo vuol dire che lo studio sul lungo periodo nella realtà di se e come si modificano le superfici con il biossido di titanio non c’è ancora; questo è un limite ad esempio per la produzione di mobilio fotocatalitico perché non si sa ancora se, dopo 10 anni, la superficie del mobile cambia leggermente colore. Un altro aspetto, sono appena iniziate le sperimentazioni, è legato all’utilizzo della fotocatalisi in uno dei settori più critici del mondo: la produzione alimentare. Il cambiamento climatico sta mettendo sempre più a rischio la produzione alimentare anche in concomitanza con un forte aumento della popolazione. La fotocatalisi è in linea di principio la tecnologia ottimale per mettere in sicurezza la produzione. Si pensi ad esempio alle coltivazioni intensive di pomodori dove l’eliminazione dei virus in modo naturale garantisce la produzione; ma la fotocatalisi nel contesto alimentare deve essere un po’ attenuata in quanto deve si eliminare i virus ma non troppo i batteri perché i batteri sono anche l’alimentazione della pianta del pomodoro. Vi è la necessità di “dosare” in modo diverso la fotocatalisi a seconda del contesto con la creazione di linee di prodotto specifiche. E per fare questo ci vuole tempo di sperimentazione reale. Un altro limite, sempre legato alla “giovinezza” della tecnologia, è l’inserimento di essa nelle linee guida dei vari processi e la creazione di uno standard globale per legare gli effetti della fotocatalisi ai parametri ESG e ai vari strumenti finanziari della sostenibilità come i Carbon Credits. Sono tutti processi appena iniziati, ed infatti lo sviluppo della tecnologia sta avvenendo in modo molto rapido nelle aree dove vi sono emergenze importanti (alcune aree dell’Asia) mentre sta avvenendo in modo più lento nelle aree dove vi è una infrastruttura legislativa e procedurale molto strutturata (ad esempio in UE).
Grazie
di Giuseppe Di Giacomo
