211service.com
Kapplöpet om att uppfinna det konstgjorda bladet
I detta utdrag ur hans nya bok Tämja solen , Varun Sivaram följer två rivaliserande vetenskapsmäns forskningsvägar som är fast beslutna att hitta ett sätt att vrida bränsle ur tomma luften. 21 februari 2018
Santtu Mustonen
Sedan början av 1970-talet har forskare varit på jakt efter att utveckla en teknik som kan skapa flytande bränslen av koldioxid, vatten och solljus mycket mer effektivt än fotosyntes, den process genom vilken växter utnyttjar solljus för att producera kolhydrater och lagra energi. De kallar det det konstgjorda bladet.
Ett kommersiellt gångbart konstgjort blad skulle lösa flera av de knepigaste utmaningarna inom ren energi. Det skulle skapa ett sätt att direkt och överkomligt lagra solenergi samtidigt som man producerar ett koldioxidneutralt bränsle som kan förändra transportsektorn, till och med erbjuda ett sätt att göra långväga flygresor miljömässigt hållbara.
Den här berättelsen var en del av vårt marsnummer 2018
- Se resten av frågan
- Prenumerera
Forskare har gjort långsamma men betydande framsteg i de två avgörande stegen i processen: utveckla katalysatorer som använder solenergi för att dela vatten till syre och väte, och skapa andra som kan omvandla väte och koldioxid till ett energitätt bränsle. Det återstående tricket är att kombinera dessa uppgifter på ett prisvärt och skalbart sätt, med hjälp av billiga och rikliga material.
I följande utdrag ur sin nya bok utforskar Varun Sivaram, fysiker och stipendiat vid Council on Foreign Relations, de senaste framstegen och divergerande forskningsvägarna för två rivaliserande vetenskapsmän som är fast beslutna att äntligen leverera och kommersialisera det konstgjorda bladet: Nathan Lewis vid Caltech och Daniel Nocera vid Harvard University.
På en ljummen Beverly Hills-kväll nyligen samlades medlemmar av Council on Foreign Relations på Peninsula Hotel för att lyssna på en vetenskapsman som delar sin vision om att skapa ett konstgjort blad.
Bland samlingen av chefer och före detta ambassadörer var de flesta osäkra på vad de skulle förvänta sig. Några utbytte nervösa blickar när jag presenterade talarens meriter, kanske förberedde mig för en abstrus fysikföreläsning.
Men min gäst den kvällen, Nate Lewis, professor vid California Institute of Technology (Caltech), är en sällsynthet bland forskare för hans förmåga att kondensera komplexa koncept till minnesvärda soundbites och väva sina olika forskningstrådar till en övertygande berättelse. Lewis, vars gråa hår är ett bevis på de decennier han har tillbringat med att jaga ett konstgjort löv, inledde sina kommentarer om solenergins framtid med denna pitliga refräng: Kan inte lagra? Ingen ström efter fyra.
Att misslyckandet, hävdade han med sin låga, drande röst, innebär att vi snarast måste utveckla tekniker som kan lagra solens energi i ett bränsle som kan användas när det behövs. Hans föredragna väg, en integrerad solbränslegenerator, är en elegant enhet som tar in vatten och solljus och spottar ut gasformigt väte och syre. Det vätet kan sedan användas för att driva fordon, generera elektricitet till nätet eller fungera som råvara för att tillverka mer komplexa bränslen som bensin.
Lewis, också en huvudutredare vid det federalt finansierade Joint Center for Artificial Photosynthesis, vill att hans konstgjorda blad ska överträffa naturens bästa växter. Växter, trots all framgång, är faktiskt hemska på att omvandla solljus till energi. Även om du inte vet något om hur fotosyntesen fungerar, kan du av lövens gröna färg se att en helt effektiv energiomvandling kanske inte är en växts högsta prioritet (svarta löv skulle vara mycket bättre på att absorbera solens strålar). De gröna kloroplasterna i bladcellerna fungerar tillräckligt bra för en växts behov. De utför komplexa kemiska reaktioner som, drivna av solens energi, förvandlar koldioxid och vatten till de energilagrande sockerarter som behövs för sådana aktiviteter som att överleva och fortplanta sig. När allt är sagt omvandlar de mest effektiva växterna knappt 1 procent av det inkommande solljuset till lagrad energi.
Vegetation erbjuder ändå en generisk modell för att omvandla solljus till bränsle. Tidigt i fotosyntesen delar växter vatten och genererar väte och syre. Syret går ut i atmosfären, medan vätet matas in i efterföljande kemiska reaktioner.
Sättet som växter åstadkommer denna vattenklyvning är lärorikt. Den första lektionen är att de separerar de två halvorna av den vattenklyvande kemiska reaktionen – det vill säga halvreaktionerna som producerar väte och syre. Evolution var ingen pyroman, och detta designval förhindrar väte från att självantända i närvaro av syre. För det andra innehåller växten katalysatorer, eller molekyler som påskyndar halvreaktionerna. För det tredje separerar växter de två halvreaktionerna med ett membran som inte bara håller isär väte och syre, utan även låter laddade joner passera genom det, vilket är viktigt för att undvika obalans i laddningen.
Forskare som utvecklar solbränslegeneratorer måste också sätta ihop en liknande uppsättning komponenter. Två material som kallas fotoelektroder är nedsänkta i vatten och absorberar ljusenergi för att utföra var och en av de två halvreaktionerna för att dela vatten. Två katalysatorer påskyndar var och en av dessa halvreaktioner. Och ett membran stoppar hela utrustningen - en så kallad fotoelektrokemisk cell (PEC) - från att explodera.
Men likheterna slutar där. Som Lewis tycker om att säga, efter att ha hämtat inspiration från fjäderbeklädda fåglar, dumpade människor fjädrarna och uppfann 747:an. Till skillnad från växter kommer framtidens solbränslegeneratorer förmodligen inte att använda två gröna fotoelektroder som konkurrerar med varandra för att absorbera samma del av solens spektrum. Snarare bör en av dem – anoden, som skapar syre från vatten – utnyttja ljusets färger mot den blå änden av spektrumet, och låta färgerna mot den röda änden av spektrat passera igenom för att absorberas av katoden nedan, vilket producerar väte.
Att producera prisvärd energi kommer att kräva extremt billiga och rikliga material. Men det är inte allt som PEC har att göra. För att lyckas måste det verkligen inte bara vara billigt, utan också säkert, robust och effektivt. Tyvärr har forskare hittills bara lyckats skapa enheter med högst tre av dessa fyra egenskaper.
Börja med säkerhet. För att förhindra att väte och syre kombineras och exploderar behöver en PEC ett membran som separerar de två halvreaktionerna. Men halvreaktionen som producerar syre från vatten gör också det vattnet surt, medan halvreaktionen som producerar väte gör närliggande vatten basiskt. Forskare måste hitta material för fotoelektroder och katalysatorer som inte löses upp eller korroderas i sura eller basiska medier. Den efterfrågan utesluter många billiga material som inte skulle överleva under sådana förhållanden. Att tillverka en solbränslegenerator av billiga material och förse den med ett membran för att garantera säkerheten kan därför leda till att den inte klarar robusthetstestet.
Tänk sedan på mängden av solens energi som enheten omvandlar till energi lagrad som väte. Den effektiviteten beror på hur väl fotoelektroderna tillsammans absorberar solljus och hur snabbt de två halvreaktionerna delar vatten. Med noggrant utvalda fotoelektroder och katalysatorer kan en solbränslegenerator teoretiskt uppnå mer än 30 procents verkningsgrad. Dyra halvledare erbjuder en mångsidig buffé av material att välja mellan, men billigare föreningar ger en mycket mer begränsad meny. Likaså är ädelmetallkatalysatorer som platina bra på att påskynda reaktioner, men de är sällsynta och kostsamma. Det tvärvetenskapliga teamet av forskare som Lewis ledde fortsatte med att kasta enorm beräkningskraft mot problemet med att hitta material som kunde uppfylla alla fyra kriterierna, systematiskt simulera tusentals föreningar och testa de mest lovande kandidaterna i labbet.
Den gamla goda vetenskapliga intuitionen spelade också en viktig roll i forskningsprocessen – liksom lite tur. Två exempel sticker ut. Först hittade Lewis och hans medarbetare inspiration i de katalysatorer som används i oljeraffinaderier för att ta bort det luftförorenande svavlet från petroleumprodukter. Dessa katalysatorer är billiga och utmärker sig när det gäller att påskynda halvreaktionen som producerar väte. (Tyvärr letar forskare fortfarande efter en billig, effektiv katalysator för den syreproducerande halvreaktionen.)
För det andra belade forskare i Lewis labb av misstag sina prover med ett tunt lager titandioxid och fann ett överraskande resultat. Titandioxid är nyckelingrediensen i solskyddsmedel, som skyddar din hud genom att blockera ultravioletta strålar av solljus. Här spelade dock den ultratunna beläggningen en helt annan roll och skyddade fotoelektroderna och katalysatorerna från att ätas bort av den grundläggande lösningen.
Tillsammans tillät den lånade insikten från oljeindustrin och den oavsiktliga upptäckten av solskyddsmedel Lewis och forskarkollegor vid Caltech att få ett genombrott. 2015 tillkännagav de en integrerad solbränslegenerator som var över 10 procent effektiv på att omvandla solljus till vätebränsle. Effektiviteten i sig var inget stort steg – andra hade nått 22 procent effektivitet. Men Caltech-enheten använde billiga, jordnära katalysatorer, och den kunde pumpa ut väte under två dagars kontinuerlig drift. Som ett bevis på konceptet retade det möjligheten av en kommersiellt gångbar produkt på vägen.
Om och när denna teknik leder till en kommersiell produkt, är det osannolikt att det ser ut som de blad som inspirerade den. Lewis föreställer sig en presenning, utrullad över en stor vidd för att suga upp solens strålar, med avloppsrör för att samla upp vätet som den producerar. Det är långt ifrån den prototyp på en kubikcentimeter som hans team skapade, men när man lyssnar på Lewis vision är det svårt att inte drömma stort.
Den heliga gralen
Över hela landet från Nate Lewis är en annan hyllad vetenskapsman också på jakt efter att kommersialisera ett konstgjort blad. Liksom Lewis kombinerar Dan Nocera vid Harvard University skickligt vetenskap och kommunikation, med månsken som en vetenskapskändis - något av en Carl Sagan för solbränslen. Han har en förmåga att få kontakt med olika publik, från American Physical Societys vetenskapliga sammankomster till Aspen Institutes hobnobbing-toppmöten. Om hans publik äter biff kommer han att värma upp dem genom att fråga: Vad tuggade du just? Solen! Nötköttet var bara solljusets energi.
Även om både Lewis och Nocera delar grått hår, förmågan att engagera en bred publik och samma handledare när de gick på forskarskolan, är deras tillvägagångssätt för att förverkliga ett konstgjort blad dramatiskt olika, vilket resulterar i en livlig professionell rivalitet. Medan Lewis är laserfokuserad på att producera väte, vill Nocera hoppa över väte och bygga en enhet som utnyttjar solljus för att direkt producera bekväma, kolhaltiga bränslen som omedelbart kan ersätta dagens petroleumprodukter.
Ett tag nöjde Nocera sig med att bara fokusera på väteproduktion. 2011 grep han vetenskapsvärldens uppmärksamhet genom att ploppa vad som såg ut som ett mörkt frimärke i ett glas vatten, vilket fick väte och syre att bubbla upp på båda sidor. Trots sin enkelhet var hans konstgjorda blad kulmen på 30 års forskning, som sträckte sig tillbaka till hans dagar som doktorand vid Caltech. Efter att ha fått genombrottet satte Nocera ut för att ta ut sin nya teknologi på marknaden.
Tyvärr höll han på att lära sig läxan som nästan alla andra Silicon Valley-startföretag för ren energi har lärt sig: den riktigt svåra delen kommer efter göra en spännande labbupptäckt. Han skulle senare beklaga, jag gjorde en helig gral av vetenskap. Bra! Det betyder inte att jag gjorde en helig graal av teknik. Och det är vad forskare och professorer inte förstår. Hans startup, Sun Catalytix, slutade med att svänga bort från solbränsle för att utveckla batterier för att lagra energi till elnätet istället (Lockheed köpte företaget för ett ej avslöjat belopp 2014).
Men erfarenheten har inte hindrat honom från att jaga heliga graaler, så nu strävar Nocera efter det ännu svårare målet att utnyttja solljus, vatten och koldioxid för att producera kolbaserade flytande bränslen. De potentiella fördelarna med en sådan teknik är övertygande. Flytande bränslen har redan enorma globala infrastrukturnätverk, inklusive lagringsanläggningar, transkontinentala rörledningar och oljesupertankers, för att inte tala om allestädes närvarande bensinstationer runt om i världen. En enhet som kan omvandla solljus till bränslen som redan är vanligt förekommande skulle kunna dra tillbaka till den infrastrukturen.
Lewis hävdar att den mest lovande vägen för att göra kolbaserade bränslen från solljus involverar solgenererat väte som en mellanhand. Därifrån kunde välkända industriella processer kombinera väte med koldioxid – fångad från fabriker och kraftverk som förbränner fossila bränslen – för att producera en rad användbara bränslen som kallas kolväten. Ett solraffinaderi skulle kunna skapa samma utbud av kolvätebränslen som idag produceras i oljeraffinaderier och sedan användas som transportbränslen eller omvandlas till en rad produkter från plast till läkemedel.
Hur futuristiskt det än låter så vill Nocera göra något ännu svårare. Han vill kringgå mellanproduktionen av väte och använda solljus, vatten och koldioxid till direkt producera kolhaltiga bränslen. Om denna manöver kunde göras kostnadseffektivt och i stor skala, skulle det vara den mest effektiva engångsmetoden för att lagra solljus i de mest mångsidiga bränslen som mänskligheten känner till.
Ur vetenskaplig synvinkel ser denna uppgift nästan omöjlig ut. Att bara klyva vatten för att generera väte och syre är tillräckligt svårt. Men att skapa det enklaste kolvätet - enkolsmetan, som utgör naturgas - är ett mycket mer komplext förslag. Det kommer att kräva upptäckten av ännu fler nya material för att absorbera ljus och katalysera kemiska reaktioner. Som ett resultat är en kommersiell teknik för att göra kolbaserade bränslen direkt från solenergi mycket längre bort än en som kan producera väte.
Ändå har Nocera under de senaste tre åren gjort en rad osannolika genombrott. Det första var ett konceptuellt skifte: istället för att använda konstgjorda enheter för att slå fotosyntesen, varför inte utnyttja naturen istället? Nocera visste att naturen använder invecklade enzymer som katalysatorer i fotosyntesen för att omvandla solljus till komplexa sockerarter. Han insåg att genetiskt modifierade bakterier kunde bete sig på liknande sätt efter att ha blivit utrustade med en arsenal av potenta enzymer.
Så 2015 byggde Nocera en hybridenhet som först delade vatten med hjälp av en oorganisk katalysator för att göra väte, som andra konstgjorda lövteknologier gör. Samma anordning matade sedan vätet, tillsammans med ren koldioxid, till bakterier, som producerade flytande bränslen. Men även om insekterna var fantastiska på att omvandla koldioxid och väte till en mängd olika bränslen, var de oförenliga med den oorganiska katalysatorn, som producerade former av reaktivt syre som förstörde bakteriens DNA.
Sedan 2016 publicerade Nocera och kollegor en artikel i tidskriften Vetenskap triumferande tillkännage en ny katalysator, gjord av en kobolt-fosforlegering. Det lämnade inte bara bakterierna oskadda, utan också självmonterade ur lösningen, som efterliknar de självläkande katalysatorerna som finns i naturen. Med katalysatorn och bakterierna som arbetar tillsammans i harmoni, kunde Noceras enhet uppnå 10 procent effektivitet när det gäller att omvandla solljus till alkoholbränsle. Nocera rapporterade att insekterna borde kunna producera flera andra kolhaltiga molekyler för en rad applikationer från att driva fordon till att tillverka plast. Och han följde upp detta genom att demonstrera 2017 att en hybrid katalysator-plus-bakterier-metod kunde fixera kväve i atmosfären för att producera ammoniak. Det är en lockande upptäckt eftersom över 1 procent av den globala energin används idag för produktion av ammoniak för att gödsla grödor och mata världen. Noceras prototyp antyder att en dag kan solljus driva den processen snarare än fossila bränslen.
Juryn är fortfarande ute om Noceras beslut att utnyttja levande organismer är en bra idé. Faktum är att bakterier är ganska petiga, känsliga för surheten och temperaturen i sin omgivning, och därför svåra att designa runt. Smarta pengar är för närvarande på enheter som utnyttjar solljus för att producera väte som avancerar snabbare än de som försöker direkt producera kolbaserade bränslen. Men genom att kombinera moderna material med naturens trolldom, kan forskare ändå hoppa av enkelt väte i jakten på en gångbar väg till den ultimata heliga graalen: 100 procent rena, drop-in ersättningar för fossila bränslen.
Utdrag ur Taming the Sun: Innovations för att utnyttja solenergi och driva planeten av Varun Sivaram, publicerad av MIT Press. 2018 Massachusetts Institute of Technology. Alla rättigheter förbehållna.