Sol och vatten

År 1771 fann en nyfiken naturfilosof vid namn Joseph Priestley att möss kvävdes och dog i lufttäta behållare, medan de överlevde om behållaren också innehöll ett friskt exemplar av någon grön växt. Han anses ha bidragit till upptäckten av fotosyntesen, det vill säga den process där levande organismer binder energi från solljus samt lagrar och omvandlar den till livsnödvändiga kemiska föreningar. Kanske är den processen nyckeln till framtidens energi, skriver Sten Niklasson.

Fotosyntes låter kanske inte som någon särskilt komplicerad process. Men det är först under de senaste decennierna som forskarna har börjat förstå dess intrikata detaljer.
Det mesta av den energi vi människor använder har sin grund i fotosyntes. Gröna växter tar upp solljus, vatten och koldioxid, som de sedan omvandlar till kolhydrater. Vi utnyttjar den energi som växterna lagrat, när vi äter dem, när vi äter kött från växtätande djur, eller när vi använder bränslen som ytterst kommer från växter, t.ex. torv, kol, olja, naturgas och etanol. Det är ingen överdrift att kalla fotosyntesen en av de viktigaste biokemiska processerna för livet på jorden.

Den naturliga fotosyntesen sker i växternas blad, där klorofyll, som ju ger växterna deras gröna färg, är en slags ljussamlande antenner, vilka i sin tur överför solenergin till olika reaktionscentra, där nedbrytning av vatten till syre och väte äger rum. Plantan gör sig av med syre och bidrar därmed till en del av atmosfären som är livsavgörande för oss. Växten kombinerar vätet med koldioxid i atmosfären i en process som ger druvsocker, en kolhydrat som utgör en fundamental energikälla för levande organismer.

Denna process är inte särskilt effektiv, om man med effektivitet menar hur mycket av solstrålningen som faktiskt utnyttjas av växterna. Många växter tar bara upp någon procent av det solljus de utsätts för. Strålningen från solen är emellertid minst sagt riklig. Den solenergi som når jorden under en timme är i stort sett lika stor som all energi från alla källor som jordens befolkning använder under ett år.

Många fäster idag sitt hopp till sol och väte som miljövänliga och förnybara energikällor.

Åtskillig forskarmöda har lagts på att utveckla solceller av kiselmaterial, som direkt, utan utsläpp och efterföljande steg, omvandlar energin i solens strålning till elektricitet. För tio år sedan var sådana celler en nymodighet. Den globala produktionskapaciteten var bara ca 10 GW. Trots att verkningsgraden i flertalet kommersiellt tillgängliga system oftast ligger under 20%, har den installerade kapaciteten i världen nu växt till ca 500 GW. Men de miljömässiga fördelarna motsvaras av ett antal nackdelar, till exempel att elektricitet är svår att lagra, och därför ofta förutsätter energikrävande konvertering. Kisel som material i solceller har också en egenskap som begränsar dess användning – det absorberar inte ljus särskilt väl. Solceller kräver därför jämförelsevis stora ytor och är därför ingen bra metod för att driva fordon.

Senare tids forskning har producerat alternativa material som kan tillverkas i form av tunn film med betydligt högre absorptionsförmåga och ljusgenomsläpplighet. Det rör sig framför allt om kadmiumtellurid och koppar/indium/galliumselenid som kan placeras direkt på vanligt fönsterglas och därmed till exempel bidra till uppvärmningen av hus. Problemet med denna teknologi är knappheten på de ovanliga grundämnena tellurium och indium, vilket i sin tur leder till orealistiskt höga kostnader.

Materialforskningen har nyligen provat en rad andra och vanligare föreningar, av vilka särskilt mineralet perovskit och metyl/ammonium/blyjodid (MABI) till en början verkade lovande. Olyckligtvis visade sig egenskapernas hos flera av dem alltför snabbt försämras, när de exponerades för väta och starkt solljus.

När det gäller fordonsdrift har bilar som drivs med elektricitet blivit allt vanligare och har flera miljömässiga fördelar. Men elen kommer från stora batterier som tar tid att ladda – med el! – och tillsvidare inte klarar längre körsträckor. Flera biltillverkare experimenterar därför med elmotorer, där batterierna är utbytta mot en tank med vätgas samt en så kallad bränslecell. I den vanligaste typen av bränslecell sker en kemisk reaktion mellan väte och syre som ger elektricitet med värme och vattenånga som miljövänliga biprodukter. En bränslecell är 2-3 gånger effektivare än en förbränningsmotor, men kostnaden är hög, för närvarande runt USD 5 500/kW. Och kruxet är att producera vätet på ett billigt och miljöneutralt sätt.

Väte är visserligen ett vanligt grundämne på jorden. Men vätgasmolekyler existerar bara i undantagsfall naturligt. Det beror på att så gott som allt väte på jorden är bundet i kolföreningar och vatten, ämnen som måste spjälkas för att frigöra vätet. Spjälkningen kräver energi. De tillverkningsprocesser som vanligen används idag innebär att energiinnehållet i det utvunna vätet är mindre än energiinnehållet i den mängd råvara som använts för utvinningen. Väte tillverkas så gott som enbart med fossila kolväten som naturgas, kol och olja som råvara. Ungefär hälften av vätet går till produktion av ammoniak, som är en viktig beståndsdel i konstgödsel. Andra hälften går till oljeraffinaderierna för att möjliggöra konvertering (vätekrackning ) av tungoljor till bensin, diesel och andra bränslen.

Men vatten då? Det är billigt, lättillgängligt och består ju av väte och syre som formeln H2O anger. Läsare som minns sina kemilaborationer i skolan kommer kanske ihåg experimentet, där elektroder från ett batteri stoppades ner i en bägare med vatten. Snart steg bubblor av syre från den ena (anoden) och bubblor av väte från den andra elektroden (katoden). Genom energin från batteriet hade vätet i vattnet skiljts från syret genom elektrolys.

Att använda väte som utvunnits på dessa sätt i bränslen innebär alltså en omvandling av den energi som gasen, kolet eller batteriet innehåller.

En miljömässigt försvarbar vätebaserad ekonomi kan bara uppnås med hjälp av alternativa metoder att producera väte, vilka inte avger kolbaserade ämnen till atmosfären, och inte använder mer fossila bränslen än de ersätter. Det är denna utmaning som fått forskarna att försöka kopiera växternas fotosyntes, där ljusenergi från solen omvandlas till kemisk energi, som lagras i kolhydrat, som i sin tur bildas av koldioxid och vätet i vatten. Råmaterial finns i överflöd. Processen borde bli billig och miljövänlig.

Men att uppnå artificiell fotosyntes har visat sig tekniskt och ekonomiskt svårare än väntat. Det beror bland annat på att vatten är så kemiskt stabilt att spjälkningen i dess beståndsdelar syre och väte kräver höga temperaturer och högt tryck, vilket förstås minskar energivinsten och driver upp kostnaderna. Därför används katalysatorer för att påverka processen. Tyvärr har det visat sig att ovanliga och extremt dyra grundämnen som ruthenium, iridium och rhodium krävs i katalysatorerna. Men häromåret skedde ett genombrott.

Två forskare vid MIT vid namn Daniel Nocera och Matthew Kanan insåg att grundämnen som ligger nära varandra i det periodiska systemet ofta har liknande egenskaper. I samma kolumn som iridium och rhodium hittar man kobolt, som är vanligt förekommande i flera bergarter. Kanan utvecklade en koboltförening som tillsammans med fosfater visade sig fungera som en effektiv, billig och praktiskt taget underhållsfri katalysator. Den hade dessutom den avgörande fördelen att kunna absorbera solljus. 2011 presenterade (och patenterade) Nocera ett ”konstgjort löv”, bestående av en kiselplatta av ungefär samma typ som används i solpaneler, vars ena sida belagts med Kanans kobolt-fosfatblandning, och vars andra sida täckts med ett lager av en billig nickelbaserad katalysator. Plattan, som var stor som ett spelkort, stoppades i en bägare med vatten. När bägaren hölls upp mot solen, uppstod elektricitet i kiselplattan. Från dess ena sida började syre bubbla upp, och från den andra sidan väte. Spjälkningen av vatten i syre och väte hade visat sig kunna ske billigt och enkelt med solljus som enda energikälla.

Experiment har visat att anordningen kan fungera i söt-, såväl som saltvatten, och dessutom i avloppsvatten, vilket skulle göra den lämpad för områden, där det råder brist på rent vatten.

Nästa steg i utvecklingen av artificiell fotosyntes innebär en större utmaning. Det handlar om den del av processen, i vilken väte och koldioxid förenar sig till ett lagringsbart bränsle, vars energi till rimliga kostnader kan driva fordon, maskiner och mycket mer, utan farliga utsläpp. En sådan energikälla skulle bli en välsignelse för en överbefolkad värld. Arbete pågår i laboratorier världen över. Resultaten väntar runt hörnet.

Sten Niklasson är författare och fd generaldirektör