Produrre ferro con urina, energia solare e semi

Sostituire il carbone con urina e luce solare per produrre ferro? Lo studio “Natural sciences for post-growth in practice: low-tech iron oxide reduction under a concentrated light flux using urine-derived ammonia and hydrogen as reducers”, pubblicato sul  Journal of Cleaner Production da un team di scienziati del Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-Objets (LPCNO) dell’Université de Toulouse e del Centrum voor Wetenschaps- en Technologiestudies (CWTS) dell’Universiteit Leiden, ha portato a compimenti con successo questa idea, un po' folle, e a basso impatto tecnologico, formulata circa dieci anni fa.

Julian Carrey, del LPCNO e coautore dello studio, ha spiegato: «Volevamo affrontare il tema della metallurgia del ferro perché si tratta di un processo molto vicino ai bisogni primari dell'uomo, ma il cui principio fondamentale non si è evoluto per millenni: l'utilizzo del carbonio. Volevamo dimostrare che è possibile una metallurgia a bassa tecnologia che non si basi sul carbonio. Il processo, quindi, non contribuirebbe né alla deforestazione né all'esaurimento dei combustibili fossili».

I ricercatori ricordano che «La metallurgia prevede la trasformazione dell'ossido di ferro (Fe2O3) in  ferro (Fe) utilizzando un agente riducente chimico, tradizionalmente il carbonio, secondo l'equazione Fe2O3 + 3/2c → 2 Fe + 3/2 CO2 _. E’ possibile utilizzare agenti riducenti non a base di carbonio, come l'idrogeno o l'ammoniaca. In questo caso, non si verificano emissioni di CO2 durante il processo. Questa è attualmente la strada presa in considerazione dall'industria per decarbonizzare questo processo. Tuttavia, nel processo industriale previsto attualmente, la produzione di idrogeno o ammoniaca richiede processi ad alta tecnologia basati sull'utilizzo di quantità molto elevate di elettricità. Pertanto, il nostro team ha calcolato, in un articolo pubblicato nel 2025 (“Towards solar metallurgy: Iron ore reduction by ammonia under concentrated light flux”, su Solar Energy) che sarebbero necessari tra 1/5 e 1/4 della produzione globale di elettricità per decarbonizzare la metallurgia utilizzando questo processo.  Per sostituire il carbone come fonte di calore, il principio prevede la concentrazione dei raggi solari mediante grandi riflettori per aumentare la temperatura di un reattore; questo è noto come "energia solare concentrata". Questo principio può essere utilizzato su scala domestica per cucinare, ma anche su scala più ampia per la generazione di elettricità. Esistono diverse centrali di questo tipo in Spagna e Nord Africa. Il principio alla base di queste centrali solari potrebbe essere utilizzato per la produzione metallurgica. I collaboratori del nostro team presso il forno solare di Odeillo hanno condotto esperimenti e sviluppato modelli che dimostrano che questo è possibile.   Il componente principale dell'urina è l'urea, con una concentrazione media di circa 20 g/L. L'urea si decompone in ammoniaca sotto l'influenza del calore o di un enzima, l'ureasi, presente in alcune piante e batteri. Questi batteri contenenti ureasi possono moltiplicarsi nel tempo nell'urina o nelle acque reflue conservate, consentendo così la decomposizione dell'urea in ammoniaca nell'urina senza l'aggiunta di ulteriori sostanze chimiche. Nel nostro studio, abbiamo dimostrato che la decomposizione dell'urea in ammoniaca può essere significativamente accelerata aggiungendo semi di soia o di anguria tritati all'urina. Abbiamo anche dimostrato che l'urea può essere decomposta sottoponendola a un fascio di luce concentrato, che la riscalda. Indipendentemente dal metodo utilizzato, l'ammoniaca prodotta può essere impiegata per convertire l'ossido di ferro in ferro».

Una delle autrici dello studio, Marion Luu, che su questo argomento ha conseguito il dottorato di ricerca al LPCNO, ha dichiarato: «Abbiamo dimostrato che l'urina può essere una buona fonte di ammoniaca, che a sua volta è un riducente dell'ossido di ferro. Abbiamo studiato due diversi metodi per produrre ammoniaca dall'urea: uno che consiste nel riscaldare l'urea utilizzando la radiazione solare e l'altro che consiste nello stimolare la decomposizione dell'urea utilizzando semi frantumati. Ed entrambi i metodi ci hanno permesso di produrre ferro!»

Un altro autore dello studio, Sébastien Lachaize, anche lui del LPCNO, ha sottolineato che «Questo lavoro è il culmine di un progetto e di un'idea che abbiamo avuto quasi dieci anni fa, chiedendoci come sarebbe stata la ricerca scientifica a basso impatto tecnologico. Abbiamo iniziato dimostrando che la riduzione dell'ossido di ferro sotto un flusso di luce concentrato era possibile con l'idrogeno, poi con l'ammoniaca e infine ora con l'urea».

Gli scienziati hanno stimato la quantità massima di metallo che si potrebbe produrre con questo processo, se si utilizzasse tutta l'urina umana: circa 15 kg a persona all'anno, una quantità di gran lunga inferiore ai circa 250 kg/anno pro capite  dell'acciaio attualmente prodotto. Ma i ricercatori che hanno ideato il progetto sostengono che «L'ingente quantità di acciaio attualmente prodotta è incompatibile con l'abitabilità a lungo termine del pianeta e deve essere drasticamente ridotta. Questo progetto di ricerca si propone di contribuire al dibattito sul sistema tecnologico di una società post-crescita che sia sostenibile, equa e di facile utilizzo, e in cui le tecnologie impiegate siano a basso impatto tecnologico. Speriamo che i nostri risultati incoraggino altri gruppi di ricerca ad affrontare i propri temi da una prospettiva low-tech, al fine di contrastare l'emergenza ecologica e climatica, le cui conseguenze si fanno sempre più evidenti nelle nostre vite».

Attualmente, il processo metallurgico più comune, effettuato negli altiforni, si basa sull'utilizzo del carbone. Questo processo comporta l'emissione di 2,2 tonnellate di CO2 per  tonnellata di acciaio prodotta. Più in generale, i 2 miliardi di tonnellate di acciaio prodotte annualmente sono responsabili dell'8% delle emissioni globali di CO2_.

Al LPCNO evidenziano che «Le soluzioni low-tech, rese popolari in Francia da Philippe Bihouix (“L’âge des low-techs”, Philippe Bihouix, Le seuil -2014) sono tecnologie adattate alle sfide ecologiche e sociali del nostro tempo. In un articolo pubblicato nel 2021, il nostro team considera una tecnologia low-tech se "costituisce un elemento fondamentale di una società sostenibile, equa e conviviale". La ricerca scientifica sulle soluzioni low-tech è attualmente poco sviluppata, ma si possono citare due articoli scritti da team francesi: uno sulle soluzioni low-tech in generale “Low-tech approaches for sustainability: key principles from the literature and practice”,  Sustainability: Science, Practice and Policy - 2023) e l'altro sulle soluzioni low-tech in medicina “Low-tech medicine: Enhanced definition and scope. A narrative review”, Advances in Clinical and Experimental Medicine - 2026)».

La principale autrice dello studio, Marie-Hélène Pietraru, ricercatrice post-dottorato al LPCNO ha concluso: «Di fronte all’emergenza climatica ed ecologica, ci sembra che le questioni di ricerca debbano essere affrontate in modo diverso. Sosteniamo un nuovo approccio alla ricerca scientifica, che tenga conto dei limiti planetari e sia rilevante per un mondo post-crescita. La ricerca scientifica sulla decrescita è stata finora condotta principalmente da economisti. Con questo articolo cerchiamo di dimostrare che le scienze naturali e l’ingegneria sono necessarie in questo nuovo paradigma».