Kapløbet om at opfinde det kunstige blad

I dette uddrag fra hans nye bog At tæmme solen , Varun Sivaram følger to rivaliserende videnskabsmænds forskningsveje, der er fast besluttet på at finde en måde at vride brændstof ud af den blå luft. Ved

• Varun Sivaram arkiv side

21. februar 2018

Santtu Mustonen

Siden begyndelsen af ​​1970'erne har videnskabsmænd været på jagt efter at udvikle en teknologi, der kunne skabe flydende brændstoffer ud af kuldioxid, vand og sollys langt mere effektivt end fotosyntese, den proces, hvorved planter udnytter sollys til at producere kulhydrater og lagre energi. De kalder det det kunstige blad.

Et kommercielt levedygtigt kunstigt blad ville løse flere af de sværeste udfordringer inden for ren energi. Det ville skabe en måde at lagre solenergi direkte og til en overkommelig pris og samtidig producere et kulstofneutralt brændstof, der kunne transformere transportsektoren og endda tilbyde en måde at gøre langdistanceflyvninger miljømæssigt bæredygtige.

Denne historie var en del af vores marts 2018-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Forskere har gjort langsomme, men betydelige fremskridt på de to afgørende trin i processen: udvikling af katalysatorer, der bruger solenergi til at spalte vand til ilt og brint, og skabe andre, der kan omdanne brint og kuldioxid til et energitæt brændstof. Det resterende trick er at kombinere disse opgaver på en overkommelig og skalerbar måde ved at bruge billige og rigelige materialer.

I det følgende uddrag fra sin nye bog udforsker Varun Sivaram, fysiker og stipendiat ved Council on Foreign Relations, de seneste fremskridt og divergerende forskningsveje for to rivaliserende videnskabsmænd, der er fast besluttet på endelig at levere og kommercialisere det kunstige blad: Nathan Lewis ved Caltech og Daniel Nocera ved Harvard University.

---

På en lun Beverly Hills-aften for nylig samledes medlemmer af Council on Foreign Relations på Peninsula Hotel for at lytte til en videnskabsmand dele sin vision om at skabe et kunstigt blad.

Blandt samlingen af ​​ledere og tidligere ambassadører var de fleste usikre på, hvad de kunne forvente. Nogle få udvekslede nervøse blikke, da jeg præsenterede foredragsholderens legitimationsoplysninger, og måske forberedte mig på et abstrut fysikforedrag.

Men min gæst den aften, Nate Lewis, professor ved California Institute of Technology (Caltech), er en sjældenhed blandt videnskabsmænd for hans evne til at kondensere komplekse koncepter til mindeværdige soundbites og væve sine forskellige forskningsstrenge ind i en overbevisende fortælling. Lewis, hvis grå hår er et vidnesbyrd om de årtier, han har brugt på at jagte et kunstigt blad, startede sine bemærkninger om fremtiden for solenergi med dette pittige omkvæd: Kan du ikke gemme? Ingen strøm efter fire.

At fejlen, argumenterede han med sin lave, trækkende stemme, betyder, at vi har et presserende behov for at udvikle teknologier, der kan lagre solens energi i et brændstof, der kan bruges, når det er nødvendigt. Hans foretrukne rute, en integreret solbrændstofgenerator, er en elegant enhed, der optager vand og sollys og spytter gasformig brint og ilt ud. Denne brint kan derefter bruges til at brænde køretøjer, generere elektricitet til nettet eller tjene som råmateriale til at lave mere komplekse brændstoffer såsom benzin.

Lewis, også en hovedefterforsker ved det føderalt finansierede Joint Center for Artificial Photosynthesis, ønsker, at hans kunstige blade skal udkonkurrere naturens bedste planter. Planter er, trods al deres succes, faktisk forfærdelige til at omdanne sollys til energi. Selvom du ikke ved noget om, hvordan fotosyntesen fungerer, kan du se på bladenes grønne farve, at fuldstændig effektiv energiomdannelse måske ikke er en plantes topprioritet (sorte blade ville være meget bedre til at absorbere solens stråler). De grønne kloroplaster i bladceller fungerer godt nok til en plantes behov. De udfører komplekse kemiske reaktioner, der, drevet af solens energi, omdanner kuldioxid og vand til de energilagrende sukkerarter, der er nødvendige for sådanne aktiviteter som at overleve og reproducere. Når alt er sagt og gjort, omdanner de mest effektive planter knap 1 procent af det indkommende sollys til lagret energi.

Vegetation tilbyder ikke desto mindre en generisk model til at omdanne sollys til brændstof. Tidligt i fotosyntesen spalter planter vand og genererer brint og ilt. Ilten går ud i atmosfæren, mens brinten tilføres efterfølgende kemiske reaktioner.

Den måde, planter udfører denne vandopdeling på, er lærerig. Den første lektion er, at de adskiller de to halvdele af den vandspaltede kemiske reaktion - det vil sige halvreaktionerne, der producerer brint og ilt. Evolution var ingen pyroman, og dette designvalg forhindrer brint i at selvantænde i nærvær af ilt. For det andet indeholder planten katalysatorer eller molekyler, der fremskynder halvreaktionerne. For det tredje adskiller planter de to halvreaktioner med en membran, der ikke kun holder brint og ilt fra hinanden, men også tillader ladede ioner at passere gennem det, hvilket er vigtigt for at undgå en ubalance i ladningen.

Forskere, der udvikler generatorer til solenergi, skal ligeledes sammensætte et lignende sæt komponenter. To materialer kendt som fotoelektroder er nedsænket i vand og absorberer lysenergi for at udføre hver af de to halvreaktioner for at spalte vand. To katalysatorer fremskynder hver af disse halvreaktioner. Og en membran forhindrer hele genstanden - kaldet en fotoelektrokemisk celle (PEC) - i at eksplodere.

Men lighederne slutter der. Som Lewis ynder at sige, efter at have hentet inspiration fra fjerklædte fugle, droppede mennesker fjerene og opfandt 747. I modsætning til planter vil fremtidens solbrændstofgeneratorer sandsynligvis ikke bruge to grønne fotoelektroder, der konkurrerer med hinanden om at absorbere den samme del af solens spektrum. Tværtimod bør en af ​​dem - anoden, som skaber ilt fra vand - udnytte farverne af lys mod den blå ende af spektret og lade farverne mod den røde ende af spektret passere igennem for at blive absorberet af katoden nedenfor, hvilket producerer brint.

At producere energi til en overkommelig pris vil kræve ekstremt billige og rigelige materialer. Men det er ikke alt, PEC skal gøre. For at lykkes skal det virkelig ikke kun være billigt, men også sikkert, robust og effektivt. Desværre har forskere indtil videre kun formået at skabe enheder med ikke mere end tre af disse fire egenskaber.

Start med sikkerhed. For at forhindre brint og ilt i at kombinere og eksplodere, har en PEC brug for en membran, der adskiller de to halvreaktioner. Men halvreaktionen, der producerer ilt fra vand, gør også vandet surt, hvorimod halvreaktionen, der producerer brint, gør nærliggende vand basisk. Forskere skal finde materialer til fotoelektroder og katalysatorer, der ikke bliver opløst eller korroderet i sure eller basiske medier. Den efterspørgsel udelukker mange billige materialer, der ikke ville overleve under sådanne forhold. Derfor kan det at lave en solbrændselsgenerator af billige materialer og udstyre den med en membran for at sikre sikkerheden føre til, at den ikke består robusthedstesten.

Dernæst skal du overveje mængden af ​​solens energi, som enheden omdanner til energi lagret som brint. Den effektivitet afhænger af, hvor godt fotoelektroderne tilsammen absorberer sollys, og hvor hurtigt de to halvreaktioner spalter vand. Med omhyggeligt udvalgte fotoelektroder og katalysatorer kan en solbrændstofgenerator teoretisk opnå mere end 30 procent effektivitet. Dyre halvledere tilbyder en mangfoldig buffet af materialer at vælge imellem, men billigere forbindelser præsenterer en langt mere begrænset menu. Tilsvarende er ædle metalkatalysatorer såsom platin gode til at fremskynde reaktioner, men de er sjældne og dyre. Det tværfaglige team af forskere, som Lewis ledede, fortsatte med at kaste massiv regnekraft på problemet med at finde materialer, der kunne opfylde alle fire kriterier, systematisk simulere tusindvis af forbindelser og afprøve de mest lovende kandidater i laboratoriet.

God gammel videnskabelig intuition spillede også en vigtig rolle i forskningsprocessen – ligesom lidt held. To eksempler skiller sig ud. Først fandt Lewis og hans samarbejdspartnere inspiration i de katalysatorer, der blev brugt i olieraffinaderier til at fjerne det luftforurenende svovl fra olieprodukter. Disse katalysatorer er billige og udmærker sig ved at fremskynde halvreaktionen, der producerer brint. (Desværre leder forskere stadig efter en billig, effektiv katalysator til den iltproducerende halvreaktion.)

For det andet bestrøede forskere i Lewis' laboratorium ved et uheld deres prøver med et tyndt lag titaniumdioxid og fandt et overraskende resultat. Titandioxid er nøgleingrediensen i solcreme, som beskytter din hud ved at blokere ultraviolette stråler af sollys. Her spillede den ultratynde belægning dog en helt anden rolle, idet den beskyttede fotoelektroderne og katalysatorerne mod at blive ædt væk af basisopløsningen.

Sammen gav den lånte indsigt fra olieindustrien og den utilsigtede opdagelse af solcreme Lewis og andre forskere ved Caltech et gennembrud. I 2015 annoncerede de en integreret solbrændstofgenerator, der var over 10 procent effektiv til at omdanne sollys til brintbrændstof. Effektiviteten i sig selv var ikke noget stort spring - andre havde nået 22 procent effektivitet. Men Caltech-enheden brugte billige, jordrige katalysatorer, og den var i stand til at pumpe brint ud over to dages kontinuerlig drift. Som et bevis på konceptet drillede det muligheden for et kommercielt levedygtigt produkt hen ad vejen.

Hvis og når denne teknologi fører til et kommercielt produkt, er det usandsynligt, at det ligner de blade, der inspirerede det. Lewis forestiller sig en presenning, rullet ud over en stor flade for at opsuge solens stråler, med drænrør til at opsamle den brint, den producerer. Det er langt fra den prototype på én kubikcentimeter, som hans team skabte, men når man lytter til Lewis' vision, er det svært ikke at drømme stort.

Den hellige gral

På tværs af landet fra Nate Lewis er en anden anerkendt videnskabsmand også på jagt efter at kommercialisere et kunstigt blad. Ligesom Lewis kombinerer Dan Nocera ved Harvard University behændigt videnskab og kommunikation, måneskin som en videnskabsberømthed - noget af en Carl Sagan for solbrændstoffer. Han har en evne til at forbinde sig med forskellige målgrupper, fra American Physical Societys videnskabelige forsamlinger til Aspen Institutes hobnobbing-topmøder. Hvis hans publikum spiser bøf, vil han varme dem op ved at spørge: Hvad har du lige tygget? Solen! Oksekødet var kun sollysets energi.

Selvom både Lewis og Nocera deler gråt hår, evnen til at engagere et bredt publikum og den samme vejleder, da de gik på efterskole, er deres tilgange til at realisere et kunstigt blad dramatisk forskellige, hvilket resulterer i en livlig professionel rivalisering. Mens Lewis er laser-fokuseret på at producere brint, ønsker Nocera at springe brint og bygge en enhed, der udnytter sollys til direkte at producere praktiske, kulstofholdige brændstoffer, der umiddelbart kan erstatte nutidens olieprodukter.

I en periode nøjedes Nocera med kun at fokusere på brintproduktion. I 2011 greb han den videnskabelige verdens opmærksomhed ved at putte, hvad der lignede et mørkt frimærke, i et glas vand, hvilket fik brint og ilt til at boble op på begge sider. På trods af sin enkelhed var hans kunstige blad kulminationen på 30 års forskning, der nåede tilbage til hans dage som kandidatstuderende ved Caltech. Efter at have fået gennembruddet satte Nocera sig for at bringe sin nye teknologi på markedet.

Desværre var han ved at lære den lektie, som næsten alle andre Silicon Valley-startups med ren energi har lært: den virkelig svære del kommer efter gør en spændende laboratorieopdagelse. Han ville senere beklage, jeg gjorde en hellig gral af videnskab. Store! Det betyder ikke, at jeg gjorde en hellig gral af teknologi. Og det får videnskabsmænd og professorer ikke. Hans startup, Sun Catalytix, endte med at dreje væk fra solbrændstof for at udvikle batterier til at lagre energi til elnettet i stedet (Lockheed købte virksomheden for et ikke oplyst beløb i 2014).

Men oplevelsen har ikke forhindret ham i at jagte hellige grale, så nu forfølger Nocera det endnu sværere mål at udnytte sollys, vand og kuldioxid til at producere kulstofbaserede flydende brændstoffer. De potentielle fordele ved en sådan teknologi er overbevisende. Flydende brændstoffer har allerede enorme globale infrastrukturnetværk, herunder lagerfaciliteter, transkontinentale rørledninger og oliesupertankere, for ikke at nævne allestedsnærværende tankstationer rundt om i verden. En enhed, der kunne omdanne sollys til brændstoffer, der allerede er almindeligt anvendte, kunne piggyback på den infrastruktur.

Lewis fastholder, at den mest lovende vej til fremstilling af kulstofbaserede brændstoffer fra sollys involverer solgenereret brint som mellemled. Derfra kunne velforståede industrielle processer kombinere brint med kuldioxid - opsamlet fra fabrikker og kraftværker, der brænder fossile brændstoffer - for at producere en række nyttige brændstoffer kendt som kulbrinter. Et solraffinaderi kunne skabe det samme udvalg af kulbrintebrændstoffer, som i dag produceres i olieraffinaderier og derefter bruges som transportbrændstoffer eller omdannes til en række produkter fra plastik til lægemidler.

Hvor futuristisk alt det end lyder, vil Nocera gøre noget endnu sværere. Han vil omgå mellemproduktionen af ​​brint og bruge sollys, vand og kuldioxid til direkte producere kulstofholdigt brændstof. Hvis denne manøvre kunne udføres omkostningseffektivt og i stor skala, ville det være den mest effektive enkeltskudsmetode til at opbevare sollys i de mest alsidige brændstoffer, som menneskeheden kender.

Fra et videnskabeligt synspunkt ser denne opgave næsten umulig ud. Bare at spalte vand for at generere brint og ilt er hårdt nok. Men at skabe det enkleste kulbrinte - single-carbon metan, som udgør naturgas - er et langt mere komplekst forslag. Det vil kræve opdagelsen af ​​endnu flere nye materialer til at absorbere lys og katalysere kemiske reaktioner. Som følge heraf er en kommerciel teknologi til at lave kulstofbaserede brændstoffer direkte fra solenergi meget længere væk end en, der kan producere brint.

Ikke desto mindre har Nocera i løbet af de sidste tre år lavet en række usandsynlige gennembrud. Det første var et konceptuelt skift: i stedet for at bruge menneskeskabte enheder til at slå fotosyntesen, hvorfor så ikke udnytte naturen i stedet? Nocera vidste, at naturen bruger indviklede enzymer som katalysatorer i fotosyntesen til at omdanne sollys til komplekse sukkerarter. Han indså, at gensplejsede bakterier kunne opføre sig på samme måde efter at være blevet udstyret med et arsenal af potente enzymer.

Så i 2015 byggede Nocera en hybrid enhed, der først splittede vand ved hjælp af en uorganisk katalysator til at lave brint, som andre kunstige bladteknologier gør. Den samme enhed tilførte derefter brinten, sammen med ren kuldioxid, til bakterier, som producerede flydende brændstoffer. Men selvom insekterne var fantastiske til at omdanne kuldioxid og brint til en række forskellige brændstoffer, var de uforenelige med den uorganiske katalysator, som producerede former for reaktivt oxygen, der ødelagde bakteriens DNA.

Så i 2016 offentliggjorde Nocera og kolleger et papir i tidsskriftet Videnskab triumferende annoncerer en ny katalysator, lavet af en kobolt-fosfor-legering. Det efterlod ikke kun bakterierne uskadte, men også selv-samlet ud af opløsning, der efterligner de selvhelbredende katalysatorer, der findes i naturen. Med katalysatoren og bakterierne, der arbejder sammen i harmoni, var Noceras enhed i stand til at opnå 10 procent effektivitet ved at konvertere sollys til alkoholbrændstoffer. Nocera rapporterede, at fejlene skulle være i stand til at producere flere andre kulstofholdige molekyler til en række anvendelser fra brændstof til køretøjer til fremstilling af plastik. Og han fulgte dette op ved at demonstrere i 2017, at en hybrid katalysator-plus-bakterier tilgang kunne fiksere nitrogen i atmosfæren til at producere ammoniak. Det er en fristende opdagelse, fordi over 1 procent af den globale energi i dag bruges til produktion af ammoniak til at gøde afgrøder og brødføde verden. Noceras prototype antyder, at sollys en dag kunne drive denne proces frem for fossile brændstoffer.

Juryen er stadig i tvivl om, hvorvidt Noceras beslutning om at udnytte levende organismer er en god idé. Bakterier er faktisk ret kræsne, følsomme over for surhedsgraden og temperaturen i deres omgivelser og derfor svære at designe omkring. Smarte penge er indtil videre på enheder, der udnytter sollys til at producere brint, der avancerer hurtigere end dem, der forsøger at producere kulstofbaserede brændstoffer direkte. Men ved at kombinere moderne materialer med naturens trolddom, kan forskerne alligevel springe simpelt brint i jagten på en levedygtig vej til den ultimative hellige gral: 100 procent rene, drop-in erstatninger for fossile brændstoffer.

Uddrag fra Taming the Sun: Innovationer til at udnytte solenergi og forsyne planeten af Varun Sivaram, udgivet af MIT Press. 2018 Massachusetts Institute of Technology. Alle rettigheder forbeholdes.

skjule