Una ricerca rivela che i biofilm microbici possono sottrarre ai pannelli solari fino al 30% della produzione nelle regioni aride

I ricercatori hanno condotto uno sforzo di collaborazione internazionale per identificare e quantificare l'impatto dei microbi come potenziale minaccia sottovalutata per la produzione di energia solare nel deserto più arido (non-polare) del mondo. Risultati recenti mostrano una diminuzione complessiva fino al 30,66% della corrente di cortocircuito-sotto l'influenza dei microrganismi che formano biofilm-e che colonizzano le superfici dei pannelli fotovoltaici nel deserto di Atacama. Ciò implica che gli impianti solari potrebbero ridurre la resa energetica prevista di quasi un-terzo perché hanno ridotto la resa attuale nei punti di corto-circuito.

La valutazione dei contributi microbici allo "sporco" dei pannelli solari e il loro conseguente effetto sulla resa energetica attraverso una ridotta efficienza operativa (come discusso in "Contributo microbico allo sporco e il suo impatto sullo sporco dei moduli fotovoltaici in ambienti estremi nelle regioni aride del deserto di Atacama") è il primo studio di questo tipo volto a valutare l'impatto delle comunità microbiche sull'adesione e la persistenza dei rivestimenti di polvere sui pannelli solari in ambienti estremi.

 

La comprensione convenzionale dello sporco dei pannelli solari si è a lungo concentrata sull’accumulo di particelle di polvere minerale inorganica. Tuttavia, questo studio cambia il paradigma dimostrando che la vita microbica - in particolare i batteri dei generiArtrobatteri, Dietzia, EKocuria- colonizzano attivamente le superfici dei pannelli e producono robusti biofilm che alterano drasticamente le proprietà dei depositi di polvere.

Questi microrganismi producono sostanze polimeriche extracellulari, o EPS -, una matrice appiccicosa composta per circa il 65% da polisaccaridi, per il 25% da peptidi e per il 10% da lipidi. Nel corso di un periodo di crescita di 72-ore, i ricercatori hanno osservato l'espansione dello spessore dell'EPS da 0,2 a 0,8 micrometri. Al microscopio elettronico a scansione a emissione di campo, questi biofilm appaiono come reti tridimensionali dense che incapsulano sia le cellule microbiche che le particelle minerali, cementando efficacemente gli strati di polvere sulle superfici dei pannelli e rendendoli molto più resistenti alla rimozione.

Con una sorprendente svolta evolutiva, lo studio ha anche identificato i pigmenti carotenoidi - nello specifico i composti simili alla luteina- e le relative xantofille - prodotte daDietziatensioni. Questi pigmenti aiutano i batteri a sopravvivere alle radiazioni ultraviolette estreme del deserto di Atacama, che raggiungono intensità giornaliere di circa 3,5 kilowatt per metro quadrato.

Fondamentalmente, questi composti fotoprotettivi assorbono la luce attraverso gamme spettrali che si sovrappongono alla finestra di conversione dei moduli fotovoltaici in silicio monocristallino. Questa sovrapposizione suggerisce un ulteriore meccanismo di interferenza ottica, in cui gli stessi pigmenti che aiutano i batteri a sopportare il sole del deserto competono anche con le celle solari per i fotoni in arrivo.

Per quantificare l'impatto sulle prestazioni dei biofilm microbici, i ricercatori hanno condotto test di colonizzazione accelerata su campioni di vetro fotovoltaico in condizioni di laboratorio controllate. I risultati sono stati sorprendenti: dopo soli sette giorni di sviluppo del biofilm, i campioni dell'Università di Antofagasta hanno mostrato perdite di corrente di corto-circuito comprese tra il 15,20% e il 30,66%. I campioni provenienti dalla piattaforma solare del deserto di Atacama hanno mostrato perdite comprese tra l’11,01% e il 20,12%.

Tuttavia, l'autore corrispondente dello studio, Aitor Marzo dell'Università di Granada, è stato attento a contestualizzare queste cifre. "Questi test sono stati progettati come esperimenti accelerati per riprodurre le fasi iniziali di adesione e consolidamento del biofilm in un arco di tempo limitato in laboratorio", ha spiegato. "Le perdite massime osservate rappresentano un limite superiore dell'impatto biologico e non dovrebbero essere interpretate direttamente come valori tipici del campo." Nelle condizioni del mondo reale, ha osservato Marzo, la colonizzazione avviene in modo più graduale ed è influenzata da fattori ambientali come l'irradiazione, l'umidità, la deposizione di polvere e la disponibilità di nutrienti.

Forse ancora più preoccupante delle perdite di prestazioni immediate è la scoperta che i metodi di pulizia convenzionali potrebbero essere inefficaci contro i biofilm maturi. Lo studio ha rilevato che una maggiore deposizione di EPS migliora la coesione all’interno della struttura del biofilm, riducendo l’efficacia delle tecniche di pulizia standard come la spazzolatura a secco e il risciacquo con acqua.

"I microrganismi non sono una componente passiva dello sporco, ma agenti attivi che contribuiscono al consolidamento dei depositi, riducono la trasmittanza ottica e diminuiscono l'efficacia dei metodi di pulizia convenzionali", hanno scritto gli autori.

I risultati arrivano in un momento critico per l’industria solare globale. Secondo l'Agenzia internazionale per l'energia, si prevede che la produzione di elettricità rinnovabile aumenterà di circa 1.050 terawatt-ora all'anno fino al 2030, con il solare fotovoltaico che rappresenterà più di 600 terawatt-ora di tale crescita ogni anno. Solo nel 2025, la crescita della produzione globale di elettricità da energia solare fotovoltaica ha raggiunto la cifra record di 620 terawatt-ora, il più grande incremento su base annua mai registrato.

Gran parte di questa espansione si sta verificando nelle regioni ad alta-irradiazione, compresi i deserti del mondo. Il deserto di Atacama, dove è stato condotto questo studio, riceve circa 6.800 ore di irradiazione solare equivalente all'anno, rendendolo uno dei luoghi più promettenti per lo sviluppo dell'energia solare ovunque sulla Terra - ma anche uno dei più impegnativi in ​​termini di manutenzione dei pannelli.

Il gruppo di ricerca ha sottolineato che i risultati sottolineano l’urgente necessità di incorporare fattori biologici nei modelli di previsione dell’inquinamento e nelle strategie di mitigazione del sistema fotovoltaico per le regioni aride. "Il nostro lavoro mostra che le comunità microbiche isolate dai moduli fotovoltaici nel deserto di Atacama mostrano un'elevata tolleranza all'essiccamento e all'irraggiamento estremo", ha detto Marzorivista PV.

Allo stesso tempo, il pigmentatoDietziaI ceppi identificati nello studio potrebbero aprire strade inaspettate per l’innovazione tecnologica. "Questi pigmenti presentano potenziali applicazioni biotecnologiche nei rivestimenti e nelle tecnologie auto-pulenti", hanno osservato gli autori, suggerendo che gli stessi organismi che causano il problema potrebbero anche contribuire allo sviluppo della sua soluzione.

Gli sforzi del settore sono già in corso per affrontare lo sporco microbico attraverso materiali avanzati. L'azienda australiana di nanotecnologie Nanoveu, ad esempio, ha sviluppato un rivestimento idrofilo auto-nano-pulente progettato per inibire la formazione di biofilm e la crescita di alghe sui pannelli solari, mentre altri gruppi di ricerca stanno esplorando rivestimenti superidrofobici che potrebbero fornire sia proprietà auto-pulenti che trasparenza ottica.

Lo studio è stato condotto da ricercatori dell'Università di Granada in Spagna e dell'Università di Atacama in Cile, i cui risultati sono accessibili nel numero di luglio 2025 diSistemi sostenibili avanzati.