211service.com
Kappløpet om å finne opp det kunstige bladet
I dette utdraget fra hans nye bok Å temme solen , Varun Sivaram følger forskningsveiene til to rivaliserende forskere som er fast bestemt på å finne en måte å vri drivstoff ut av løse luften. 21. februar 2018
Santtu Mustonen
Siden tidlig på 1970-tallet har forskere vært på et forsøk på å utvikle en teknologi som kan lage flytende drivstoff av karbondioksid, vann og sollys langt mer effektivt enn fotosyntese, prosessen der planter utnytter sollys for å produsere karbohydrater og lagre energi. De kaller det det kunstige bladet.
Et kommersielt levedyktig kunstig blad ville løse flere av de vanskeligste utfordringene innen ren energi. Det ville skape en måte å lagre solenergi direkte og rimelig, samtidig som det produseres et karbonnøytralt drivstoff som kan transformere transportsektoren, og til og med tilby en måte å gjøre langdistanse flyreiser miljømessig bærekraftige.
Denne historien var en del av vår utgave for mars 2018
- Se resten av saken
- Abonnere
Forskere har gjort sakte, men betydelige fremskritt på de to avgjørende trinnene i prosessen: å utvikle katalysatorer som bruker solenergi til å splitte vann til oksygen og hydrogen, og skape andre som kan omdanne hydrogen og karbondioksid til et energitett drivstoff. Det gjenværende trikset er å kombinere disse oppgavene på en rimelig og skalerbar måte, ved å bruke billige og rikelige materialer.
I følgende utdrag fra sin nye bok, utforsker Varun Sivaram, fysiker og stipendiat ved Council on Foreign Relations, den nylige fremgangen og divergerende forskningsveiene til to rivaliserende forskere som er fast bestemt på å endelig levere og kommersialisere det kunstige bladet: Nathan Lewis ved Caltech og Daniel Nocera ved Harvard University.
På en lun Beverly Hills-kveld nylig, samlet medlemmer av Council on Foreign Relations seg på Peninsula Hotel for å lytte til en vitenskapsmann dele sin visjon for å lage et kunstig blad.
Blant samlingen av ledere og eks-ambassadører var de fleste usikre på hva de kunne forvente. Noen få utvekslet nervøse blikk da jeg introduserte foredragsholderens legitimasjon, kanskje forberedt på en abstru fysikkforelesning.
Men gjesten min den kvelden, Nate Lewis, en professor ved California Institute of Technology (Caltech), er en sjeldenhet blant forskere for hans evne til å kondensere komplekse konsepter til minneverdige lydbiter og veve sine ulike forskningstråder inn i en overbevisende fortelling. Lewis, hvis grå hår er et vitnesbyrd om tiårene han har brukt på å jage et kunstig blad, startet sine bemerkninger om fremtiden til solenergi med dette pittige refrenget: Kan ikke lagre? Ingen strøm etter fire.
At feilen, hevdet han med sin lave, trekkende stemme, betyr at vi snarest må utvikle teknologier som kan lagre solens energi i et drivstoff som kan brukes når det trengs. Hans foretrukne rute, en integrert solenergigenerator, er en elegant enhet som tar inn vann og sollys og spytter ut gassformig hydrogen og oksygen. Dette hydrogenet kan deretter brukes til å drivstoff kjøretøy, generere elektrisitet til nettet, eller tjene som råstoff for å lage mer komplekse drivstoff som bensin.
Lewis, også en hovedetterforsker ved det føderalt finansierte Joint Center for Artificial Photosynthesis, vil at hans kunstige blad skal overgå naturens beste planter. Planter, til tross for all suksess, er faktisk forferdelige til å konvertere sollys til energi. Selv om du ikke vet noe om hvordan fotosyntesen fungerer, kan du se fra bladenes grønne farge at fullstendig effektiv energikonvertering kanskje ikke er en plantes høyeste prioritet (svarte blader ville være mye bedre til å absorbere solens stråler). De grønne kloroplastene i bladcellene fungerer godt nok til en plantes behov. De utfører komplekse kjemiske reaksjoner som, drevet av solens energi, gjør karbondioksid og vann til energilagrende sukkerarter som trengs for slike aktiviteter som å overleve og reprodusere. Når alt er sagt og gjort, omdanner de mest effektive plantene knapt 1 prosent av det innkommende sollyset til lagret energi.
Vegetasjon tilbyr likevel en generisk modell for å gjøre sollys om til drivstoff. Tidlig i fotosyntesen splitter planter vann og genererer hydrogen og oksygen. Oksygenet går ut i atmosfæren, mens hydrogenet strømmer inn i påfølgende kjemiske reaksjoner.
Måten plantene utfører denne vannsplittingen på er lærerikt. Den første leksjonen er at de skiller de to halvdelene av den vannsplittende kjemiske reaksjonen – det vil si halvreaksjonene som produserer hydrogen og oksygen. Evolusjon var ingen pyroman, og dette designvalget forhindrer at hydrogen spontant forbrennes i nærvær av oksygen. For det andre inneholder planten katalysatorer, eller molekyler som fremskynder halvreaksjonene. For det tredje skiller planter de to halvreaksjonene med en membran som ikke bare holder hydrogen og oksygen fra hverandre, men som også lar ladede ioner passere gjennom den, noe som er viktig for å unngå ubalanse i ladningen.
Forskere som utvikler drivstoffgeneratorer for solenergi, må også sette sammen et lignende sett med komponenter. To materialer kjent som fotoelektroder er nedsenket i vann og absorberer lysenergi for å utføre hver av de to halvreaksjonene for å splitte vann. To katalysatorer fremskynder hver av disse halvreaksjonene. Og en membran stopper hele innretningen - kalt en fotoelektrokjemisk celle (PEC) - fra å eksplodere.
Men likhetene slutter der. Som Lewis liker å si, etter å ha hentet inspirasjon fra fjærkledde fugler, droppet mennesker fjærene og oppfant 747. I motsetning til planter, vil fremtidens solenergigeneratorer sannsynligvis ikke bruke to grønne fotoelektroder som konkurrerer med hverandre for å absorbere den samme delen av solens spektrum. Snarere bør en av dem – anoden, som skaper oksygen fra vann – utnytte lysfarger mot den blå enden av spekteret, og la fargene mot den røde enden av spekteret passere gjennom for å bli absorbert av katoden under, som produserer hydrogen.
Å produsere rimelig energi vil kreve ekstremt billige og rikelige materialer. Men det er ikke alt PEC har å gjøre. For å lykkes må det virkelig ikke bare være billig, men også trygt, robust og effektivt. Dessverre har forskere så langt bare klart å lage enheter med ikke mer enn tre av disse fire egenskapene.
Start med sikkerhet. For å forhindre at hydrogen og oksygen kombineres og eksploderer, trenger en PEC en membran som skiller de to halvreaksjonene. Men halvreaksjonen som produserer oksygen fra vann gjør også vannet surt, mens halvreaksjonen som produserer hydrogen gjør vannet i nærheten basisk. Forskere må finne materialer for fotoelektroder og katalysatorer som ikke blir oppløst eller korrodert i sure eller basiske medier. Den etterspørselen utelukker mange billige materialer som ikke ville overleve under slike forhold. Derfor kan det å lage en solenergigenerator av billige materialer og utstyre den med en membran for å sikre sikkerhet føre til at den ikke består robusthetstesten.
Vurder deretter mengden av solens energi som enheten konverterer til energi lagret som hydrogen. Denne effektiviteten avhenger av hvor godt fotoelektrodene kollektivt absorberer sollys og hvor raskt de to halvreaksjonene deler vann. Med nøye utvalgte fotoelektroder og katalysatorer kan en solenergidrivstoffgenerator teoretisk oppnå mer enn 30 prosent effektivitet. Dyre halvledere tilbyr en mangfoldig buffé av materialer å velge mellom, men billigere forbindelser gir en langt mer begrenset meny. På samme måte er edelmetallkatalysatorer som platina gode til å fremskynde reaksjoner, men de er sjeldne og kostbare. Det tverrfaglige teamet av forskere som Lewis ledet fortsatte med å kaste massiv beregningskraft på problemet med å finne materialer som kunne tilfredsstille alle fire kriteriene, systematisk simulere tusenvis av forbindelser og teste ut de mest lovende kandidatene i laboratoriet.
God gammel vitenskapelig intuisjon spilte også en viktig rolle i forskningsprosessen – og det samme har litt flaks. To eksempler skiller seg ut. Først fant Lewis og hans samarbeidspartnere inspirasjon i katalysatorene som ble brukt i oljeraffinerier for å fjerne luftforurensende svovel fra petroleumsprodukter. Disse katalysatorene er billige, og utmerker seg ved å fremskynde halvreaksjonen som produserer hydrogen. (Dessverre leter forskere fortsatt etter en billig, effektiv katalysator for den oksygenproduserende halvreaksjonen.)
For det andre belagte forskere i Lewis' laboratorium prøvene deres ved et uhell med et tynt lag titandioksid og fant et overraskende resultat. Titandioksid er nøkkelingrediensen i solkrem, som beskytter huden din ved å blokkere ultrafiolette stråler av sollys. Her spilte imidlertid det ultratynne belegget en helt annen rolle, og beskyttet fotoelektrodene og katalysatorene fra å bli spist bort av den grunnleggende løsningen.
Sammen gjorde den lånte innsikten fra oljeindustrien og den tilfeldige oppdagelsen av solkremen det mulig for Lewis og andre forskere ved Caltech å få et gjennombrudd. I 2015 kunngjorde de en integrert solbrenselgenerator som var over 10 prosent effektiv til å konvertere sollys til hydrogendrivstoff. Effektiviteten i seg selv var ikke noe stort sprang - andre hadde nådd 22 prosent effektivitet. Men Caltech-enheten brukte billige, jordrike katalysatorer, og den var i stand til å pumpe ut hydrogen over to dager med kontinuerlig drift. Som et bevis på konseptet ertet det muligheten for et kommersielt levedyktig produkt nedover veien.
Hvis og når denne teknologien fører til et kommersielt produkt, er det usannsynlig at det ser noe ut som bladene som inspirerte det. Lewis ser for seg en presenning rullet ut over et stort vidde for å suge til seg solens stråler, med dreneringsrør for å samle opp hydrogenet den produserer. Det er langt unna prototypen på én kubikkcentimeter som laget hans laget, men når man lytter til Lewis’ visjon, er det vanskelig å ikke drømme stort.
Den hellige gral
Over hele landet fra Nate Lewis er en annen anerkjent vitenskapsmann også på jakt etter å kommersialisere et kunstig blad. I likhet med Lewis, kombinerer Dan Nocera ved Harvard University vitenskap og kommunikasjon, med måneskinnet som en vitenskapskjendis – noe av en Carl Sagan for solenergi. Han har en evne til å komme i kontakt med forskjellige publikummere, fra American Physical Society vitenskapelige samlinger til Aspen Institutes hobnobbing-toppmøter. Hvis publikumet hans spiser biff, vil han varme dem opp ved å spørre: Hva tygget du nettopp? Solen! Biff var bare energien til sollys.
Selv om både Lewis og Nocera deler grått hår, evnen til å engasjere et bredt publikum, og den samme veilederen da de gikk på forskerskolen, er deres tilnærminger til å realisere et kunstig blad dramatisk forskjellige, noe som resulterer i en livlig profesjonell rivalisering. Mens Lewis er laserfokusert på å produsere hydrogen, ønsker Nocera å hoppe over hydrogen og bygge en enhet som utnytter sollys til direkte å produsere praktiske, karbonholdige drivstoff som umiddelbart kan erstatte dagens petroleumsprodukter.
Nocera nøyde seg en tid med å kun fokusere på hydrogenproduksjon. I 2011 grep han den vitenskapelige verdens oppmerksomhet ved å kaste det som så ut som et mørkt frimerke i et glass vann, noe som fikk hydrogen og oksygen til å boble opp på hver side. Til tross for sin enkelhet, var hans kunstige blad kulminasjonen av 30 år med forskning, og nådde tilbake til dagene hans som hovedfagsstudent ved Caltech. Etter å ha fått gjennombruddet, satte Nocera ut for å bringe sin nye teknologi på markedet.
Dessverre var han i ferd med å lære leksen som nesten alle andre Silicon Valley-oppstart av ren energi har lært: den virkelig vanskelige delen kommer etter gjør en spennende laboratoriefunn. Han ville senere beklage, jeg gjorde en hellig gral av vitenskap. Flott! Det betyr ikke at jeg gjorde en hellig gral av teknologi. Og det er det forskere og professorer ikke forstår. Oppstarten hans, Sun Catalytix, endte opp med å svinge bort fra solbrensel for å utvikle batterier for å lagre energi til strømnettet i stedet (Lockheed kjøpte selskapet for et ikke avslørt beløp i 2014).
Men opplevelsen har ikke stoppet ham fra å jage de hellige gralene, så nå forfølger Nocera det enda vanskeligere målet om å utnytte sollys, vann og karbondioksid for å produsere karbonbasert flytende brensel. De potensielle fordelene med en slik teknologi er overbevisende. Flytende brensel har allerede enorme globale infrastrukturnettverk, inkludert lagringsanlegg, transkontinentale rørledninger og oljesupertankere, for ikke å nevne allestedsnærværende bensinstasjoner rundt om i verden. En enhet som kan forvandle sollys til drivstoff som allerede er vanlig, kan piggyback på den infrastrukturen.
Lewis hevder at den mest lovende ruten for å lage karbonbasert drivstoff fra sollys involverer solgenerert hydrogen som et mellomledd. Derfra kan velforståtte industrielle prosesser kombinere hydrogen med karbondioksid – fanget fra fabrikker og kraftverk som brenner fossilt brensel – for å produsere en rekke nyttige drivstoff kjent som hydrokarboner. Et solenergiraffineri kan lage det samme utvalget av hydrokarbondrivstoff som produseres i dag i oljeraffinerier, og deretter brukes som transportdrivstoff eller omdannes til en rekke produkter fra plast til legemidler.
Så futuristisk som alt dette høres ut, ønsker Nocera å gjøre noe enda vanskeligere. Han ønsker å omgå mellomproduksjonen av hydrogen og bruke sollys, vann og karbondioksid til direkte produsere karbonholdig drivstoff. Hvis denne manøveren kunne gjøres kostnadseffektivt og i stor skala, ville det være den mest effektive enkeltskuddsmetoden for å lagre sollys i det mest allsidige drivstoffet som er kjent for menneskeheten.
Fra et vitenskapelig synspunkt ser denne oppgaven nesten umulig ut. Bare å dele vann for å generere hydrogen og oksygen er vanskelig nok. Men å lage det enkleste hydrokarbonet – enkeltkarbonmetan, som utgjør naturgass – er et langt mer komplekst forslag. Det vil kreve oppdagelse av enda flere nye materialer for å absorbere lys og katalysere kjemiske reaksjoner. Som et resultat er en kommersiell teknologi for å lage karbonbasert drivstoff direkte fra solenergi mye lenger unna enn en som kan produsere hydrogen.
Likevel har Nocera de siste tre årene gjort en rekke usannsynlige gjennombrudd. Det første var et konseptuelt skifte: i stedet for å bruke menneskeskapte enheter for å slå fotosyntesen, hvorfor ikke utnytte naturen i stedet? Nocera visste at naturen bruker intrikate enzymer som katalysatorer i fotosyntesen for å konvertere sollys til komplekse sukkerarter. Han innså at genetisk konstruerte bakterier kunne oppføre seg på samme måte etter å ha blitt utstyrt med et arsenal av potente enzymer.
Så i 2015 bygde Nocera en hybridenhet som først delte vann ved å bruke en uorganisk katalysator for å lage hydrogen, slik andre kunstige bladteknologier gjør. Den samme enheten matet deretter hydrogenet, sammen med rent karbondioksid, til bakterier, som produserte flytende drivstoff. Men selv om insektene var fantastiske til å omdanne karbondioksid og hydrogen til en rekke forskjellige drivstoff, var de uforenlige med den uorganiske katalysatoren, som produserte former for reaktivt oksygen som ødela bakterienes DNA.
Så i 2016 publiserte Nocera og kolleger en artikkel i tidsskriftet Vitenskap triumferende annonserer en ny katalysator, laget av en kobolt-fosfor-legering. Det forlot ikke bare bakteriene uskadd, men også selvmontert ut av løsningen, og etterligner de selvhelbredende katalysatorene som finnes i naturen. Med katalysatoren og bakteriene som jobber sammen i harmoni, var Noceras enhet i stand til å oppnå 10 prosent effektivitet ved å konvertere sollys til alkoholdrivstoff. Nocera rapporterte at feilene skulle være i stand til å produsere flere andre karbonholdige molekyler for en rekke bruksområder fra drivstoff til kjøretøy til produksjon av plast. Og han fulgte opp dette ved å demonstrere i 2017 at en hybrid katalysator-pluss-bakterier-tilnærming kunne fikse nitrogen i atmosfæren for å produsere ammoniakk. Det er en fristende oppdagelse fordi over 1 prosent av den globale energien brukes i dag til produksjon av ammoniakk for å gjødsle avlinger og brødfø verden. Noceras prototype antyder at en dag kan sollys drive denne prosessen i stedet for fossilt brensel.
Juryen er fortsatt ute på om Noceras beslutning om å utnytte levende organismer er en god idé. Faktisk er bakterier ganske kresne, følsomme for surheten og temperaturen i miljøet, og dermed vanskelig å designe rundt. Smarte penger er foreløpig på enheter som utnytter sollys for å produsere hydrogen som avanserer raskere enn de som prøver å produsere direkte karbonbasert drivstoff. Men ved å kombinere moderne materialer med naturens trolldom, kan forskere likevel hoppe over enkelt hydrogen i jakten på en levedyktig rute til den ultimate hellige gral: 100 prosent rene, drop-in erstatninger for fossilt brensel.
Utdrag fra Taming the Sun: Innovations for å utnytte solenergi og drive planeten av Varun Sivaram, utgitt av MIT Press. 2018 Massachusetts Institute of Technology. Alle rettigheter forbeholdt.