De race om het kunstmatige blad uit te vinden

In dit fragment uit zijn nieuwe boek De zon temmen , volgt Varun Sivaram het onderzoekspad van twee rivaliserende wetenschappers die vastbesloten zijn een manier te vinden om brandstof uit het niets te wringen. Door

• Varun Sivaram archiefpagina

21 februari 2018

Santtu Mustonen

Sinds het begin van de jaren zeventig zijn wetenschappers op zoek geweest naar een technologie die vloeibare brandstoffen veel efficiënter zou kunnen maken uit koolstofdioxide, water en zonlicht dan fotosynthese, het proces waarbij planten zonlicht gebruiken om koolhydraten te produceren en energie op te slaan. Ze noemen het het kunstmatige blad.

Een commercieel levensvatbaar kunstmatig blad zou een aantal van de lastigste uitdagingen op het gebied van schone energie oplossen. Het zou een manier creëren om zonne-energie direct en betaalbaar op te slaan en tegelijkertijd een koolstofneutrale brandstof te produceren die de transportsector zou kunnen transformeren, en zelfs een manier zou bieden om langeafstandsvluchten ecologisch duurzaam te maken.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van maart 2018

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Wetenschappers hebben langzame maar aanzienlijke vooruitgang geboekt met de twee cruciale stappen in het proces: het ontwikkelen van katalysatoren die zonne-energie gebruiken om water in zuurstof en waterstof te splitsen, en het creëren van andere katalysatoren die waterstof en koolstofdioxide kunnen omzetten in een energierijke brandstof. De resterende truc is om deze taken op een betaalbare en schaalbare manier te combineren, met goedkope en overvloedige materialen.

In het volgende fragment uit zijn nieuwe boek, onderzoekt Varun Sivaram, een natuurkundige en fellow bij de Council on Foreign Relations, de recente vooruitgang en uiteenlopende onderzoekspaden van twee rivaliserende wetenschappers die vastbesloten zijn om eindelijk het kunstmatige blad te leveren en op de markt te brengen: Nathan Lewis van Caltech en Daniel Nocera aan de Harvard-universiteit.

---

Op een zwoele avond in Beverly Hills kwamen onlangs leden van de Council on Foreign Relations bijeen in het Peninsula Hotel om te luisteren naar een wetenschapper die zijn visie deelde voor het maken van een kunstblad.

Onder de verzameling leidinggevenden en ex-ambassadeurs wisten de meesten niet wat ze konden verwachten. Een paar wisselden nerveuze blikken uit toen ik de geloofsbrieven van de spreker introduceerde, misschien ter voorbereiding op een diepgaande natuurkundelezing.

Maar mijn gast die avond, Nate Lewis, een professor aan het California Institute of Technology (Caltech), is een zeldzaamheid onder wetenschappers vanwege zijn vermogen om complexe concepten samen te vatten in gedenkwaardige soundbits en zijn diverse onderzoekslijnen tot een meeslepend verhaal te weven. Lewis, wiens grijze haar getuigt van de decennia die hij doorbracht met het najagen van een kunstmatig blad, begon zijn opmerkingen over de toekomst van zonne-energie met dit pittige refrein: Can't store? Geen stroom na vier uur.

Dat falen, zo betoogde hij met zijn lage, lijzige stem, betekent dat we dringend technologieën moeten ontwikkelen die de energie van de zon kunnen opslaan in een brandstof die kan worden gebruikt wanneer dat nodig is. Zijn favoriete route, een geïntegreerde brandstofgenerator op zonne-energie, is een elegant apparaat dat water en zonlicht opneemt en gasvormige waterstof en zuurstof uitspuugt. Die waterstof kan vervolgens worden gebruikt om voertuigen van brandstof te voorzien, elektriciteit voor het net op te wekken of als grondstof te dienen voor het maken van complexere brandstoffen zoals benzine.

Lewis, ook hoofdonderzoeker bij het door de federale overheid gefinancierde Joint Center for Artificial Photosynthesis, wil dat zijn kunstmatige blad het beter doet dan de beste planten van de natuur. Planten, ondanks al hun succes, zijn eigenlijk verschrikkelijk in het omzetten van zonlicht in energie. Zelfs als je niets weet over hoe fotosynthese werkt, kun je aan de groene kleur van de bladeren zien dat een volledig efficiënte energieconversie misschien niet de hoogste prioriteit van een plant is (zwarte bladeren zouden veel beter de zonnestralen absorberen). De groene chloroplasten in bladcellen functioneren goed genoeg voor de behoeften van een plant. Ze voeren complexe chemische reacties uit die, gevoed door de energie van de zon, koolstofdioxide en water omzetten in de energie-opslaande suikers die nodig zijn voor activiteiten als overleven en reproduceren. Uiteindelijk zetten de meest efficiënte planten amper 1 procent van het binnenkomende zonlicht om in opgeslagen energie.

Vegetatie biedt niettemin een generiek model om zonlicht om te zetten in brandstof. Al vroeg in de fotosynthese splitsen planten water en genereren ze waterstof en zuurstof. De zuurstof gaat de atmosfeer in, terwijl de waterstof wordt toegevoegd aan volgende chemische reacties.

De manier waarop planten deze watersplitsing bewerkstelligen, is leerzaam. De eerste les is dat ze de twee helften van de watersplitsende chemische reactie scheiden - dat wil zeggen, de halfreacties die waterstof en zuurstof produceren. Evolutie was geen pyromaan, en deze ontwerpkeuze voorkomt dat waterstof spontaan ontbrandt in aanwezigheid van zuurstof. Ten tweede bevat de plant katalysatoren, of moleculen die de halfreacties versnellen. Ten derde scheiden planten de twee halfreacties met een membraan dat niet alleen waterstof en zuurstof uit elkaar houdt, maar ook geladen ionen doorlaat, wat belangrijk is om een ​​onbalans in de lading te voorkomen.

Onderzoekers die brandstofgeneratoren op zonne-energie ontwikkelen, moeten ook een vergelijkbare set componenten samenstellen. Twee materialen die bekend staan ​​als foto-elektroden worden ondergedompeld in water en absorberen lichtenergie om elk van de twee halfreacties op gesplitst water uit te voeren. Twee katalysatoren versnellen elk van die halfreacties. En een membraan zorgt ervoor dat het hele apparaat - een zogenaamde foto-elektrochemische cel (PEC) - niet explodeert.

Maar daar houden de overeenkomsten op. Zoals Lewis graag zegt, hebben mensen, nadat ze zich hadden laten inspireren door gevederde vogels, de veren gedumpt en de 747 uitgevonden. het spectrum van de zon. In plaats daarvan zou een van hen - de anode, die zuurstof uit water maakt - kleuren van licht naar het blauwe uiteinde van het spectrum moeten gebruiken en de kleuren naar het rode uiteinde van het spectrum doorlaten om te worden geabsorbeerd door de kathode eronder, die waterstof produceert.

Om betaalbare energie te produceren, zijn extreem goedkope en overvloedige materialen nodig. Maar dat is niet alles wat de PEC moet doen. Om te slagen moet het niet alleen goedkoop zijn, maar ook veilig, robuust en efficiënt. Helaas zijn onderzoekers er tot nu toe in geslaagd om apparaten te maken met niet meer dan drie van die vier kenmerken.

Begin met veiligheid. Om te voorkomen dat waterstof en zuurstof zich combineren en exploderen, heeft een PEC een membraan nodig dat de twee halfreacties scheidt. Maar de halfreactie die zuurstof uit water produceert, maakt dat water ook zuur, terwijl de halfreactie die waterstof produceert het nabijgelegen water basisch maakt. Wetenschappers moeten materialen voor foto-elektroden en katalysatoren vinden die niet oplossen of corroderen in zure of basische media. Die vraag sluit veel goedkope materialen uit die onder dergelijke omstandigheden niet zouden overleven. Daarom kan het maken van een brandstofgenerator op zonne-energie van goedkope materialen en deze uit te rusten met een membraan om de veiligheid te garanderen, ertoe leiden dat deze niet voldoet aan de robuustheidstest.

Overweeg vervolgens de hoeveelheid zonne-energie die het apparaat omzet in energie die is opgeslagen als waterstof. Die efficiëntie hangt af van hoe goed de foto-elektroden gezamenlijk zonlicht absorberen en hoe snel de twee halfreacties water splitsen. Met zorgvuldig gekozen foto-elektroden en katalysatoren kan een brandstofgenerator op zonne-energie in theorie een efficiëntie van meer dan 30 procent behalen. Dure halfgeleiders bieden een gevarieerd buffet van materialen om uit te kiezen, maar goedkopere verbindingen bieden een veel beperkter menu. Evenzo zijn edelmetaalkatalysatoren zoals platina geweldig in het versnellen van reacties, maar ze zijn zeldzaam en kostbaar. Het interdisciplinaire team van onderzoekers dat Lewis leidde, ging door met enorme rekenkracht op het probleem van het vinden van materialen die aan alle vier de criteria konden voldoen, door systematisch duizenden verbindingen te simuleren en de meest veelbelovende kandidaten in het laboratorium te testen.

Goede oude wetenschappelijke intuïtie speelde ook een belangrijke rol in het onderzoeksproces - net als een beetje geluk. Twee voorbeelden springen eruit. Ten eerste vonden Lewis en zijn medewerkers inspiratie in de katalysatoren die in olieraffinaderijen worden gebruikt om de luchtvervuilende zwavel uit aardolieproducten te verwijderen. Deze katalysatoren zijn goedkoop en blinken uit in het versnellen van de halfreactie die waterstof produceert. (Helaas zijn onderzoekers nog steeds op zoek naar een goedkope, effectieve katalysator voor de zuurstofproducerende halfreactie.)

Ten tweede bedekten onderzoekers in het lab van Lewis hun monsters per ongeluk met een dunne laag titaniumdioxide en vonden ze een verrassend resultaat. Titaandioxide is het belangrijkste ingrediënt in zonnebrandcrème, die uw huid beschermt door ultraviolette stralen van zonlicht te blokkeren. Hier speelde de ultradunne coating echter een heel andere rol, omdat hij de foto-elektroden en katalysatoren beschermde tegen wegvreten door de basisoplossing.

Samen zorgden het geleende inzicht van de olie-industrie en de toevallige ontdekking van zonnebrandcrème ervoor dat Lewis en collega-onderzoekers van Caltech een doorbraak konden maken. In 2015 kondigden ze een geïntegreerde brandstofgenerator op zonne-energie aan die meer dan 10 procent efficiënt was in het omzetten van zonlicht in waterstofbrandstof. De efficiëntie zelf was geen grote sprong - anderen hadden een efficiëntie van 22 procent bereikt. Maar het Caltech-apparaat gebruikte goedkope, aardrijke katalysatoren en het was in staat om waterstof te pompen gedurende twee dagen continu bedrijf. Als proof of concept plaagde het de mogelijkheid van een commercieel levensvatbaar product in de toekomst.

Als en wanneer deze technologie tot een commercieel product leidt, is het onwaarschijnlijk dat het lijkt op de bladeren die het inspireerden. Lewis stelt zich een zeil voor, uitgerold over een enorme vlakte om de zonnestralen op te vangen, met regenpijpen om de waterstof op te vangen die het produceert. Dat is ver verwijderd van het prototype van één kubieke centimeter dat zijn team heeft gemaakt, maar, luisterend naar de visie van Lewis, is het moeilijk om niet groot te dromen.

De Heilige graal

In het hele land, naast Nate Lewis, is ook een andere veelgeprezen wetenschapper op zoek naar een kunstmatig blad op de markt. Net als Lewis combineert Dan Nocera van de Harvard University op een behendige manier wetenschap en communicatie, waarbij hij opkomt als een wetenschappelijke beroemdheid - iets van een Carl Sagan voor zonnebrandstoffen. Hij heeft het talent om contact te maken met uiteenlopende doelgroepen, van wetenschappelijke bijeenkomsten van de American Physical Society tot de hobbelende toppen van het Aspen Institute. Als zijn menigte op biefstuk dineert, zal hij ze opwarmen door te vragen: waar heb je net op gekauwd? De zon! Het rundvlees was gewoon de energie van zonlicht.

Hoewel zowel Lewis als Nocera grijs haar delen, een breed publiek kunnen bereiken en dezelfde supervisor hadden toen ze op de graduate school zaten, zijn hun benaderingen om een ​​kunstmatig blad te realiseren dramatisch verschillend, wat resulteert in een pittige professionele rivaliteit. Terwijl Lewis zich met laser richt op het produceren van waterstof, wil Nocera waterstof overslaan en een apparaat bouwen dat zonlicht gebruikt om direct handige, koolstofhoudende brandstoffen te produceren die de huidige aardolieproducten onmiddellijk kunnen vervangen.

Een tijdlang was Nocera tevreden om zich alleen op waterstofproductie te concentreren. In 2011 greep hij de aandacht van de wetenschappelijke wereld door wat leek op een donkere postzegel in een glas water te ploffen, waardoor aan beide kanten waterstof en zuurstof opborrelden. Ondanks zijn eenvoud was zijn kunstmatige blad het hoogtepunt van 30 jaar onderzoek, dat teruggaat tot zijn dagen als afgestudeerde student aan Caltech. Na de doorbraak ging Nocera op weg om zijn nieuwe technologie op de markt te brengen.

Helaas stond hij op het punt de les te leren die bijna elke andere startup voor schone energie in Silicon Valley heeft geleerd: het echt moeilijke deel komt na een spannende lab-ontdekking doen. Hij zou later jammeren, ik deed een heilige graal van de wetenschap. Geweldig! Dat betekent niet dat ik een heilige graal van technologie heb gedaan. En dat is wat wetenschappers en professoren niet snappen. Zijn startup, Sun Catalytix, draaide uiteindelijk weg van zonnebrandstof om batterijen te ontwikkelen om in plaats daarvan energie op te slaan voor het elektriciteitsnet (Lockheed kocht het bedrijf voor een niet nader genoemd bedrag in 2014).

Maar de ervaring heeft hem er niet van weerhouden om heilige gralen na te jagen, dus nu streeft Nocera het nog moeilijkere doel na om zonlicht, water en koolstofdioxide te benutten om op koolstof gebaseerde vloeibare brandstoffen te produceren. De toekomstige voordelen van een dergelijke technologie zijn overtuigend. Vloeibare brandstoffen hebben al enorme wereldwijde infrastructuurnetwerken, waaronder opslagfaciliteiten, transcontinentale pijpleidingen en olie-supertankers, om nog maar te zwijgen van alomtegenwoordige tankstations over de hele wereld. Een apparaat dat zonlicht kan omzetten in brandstoffen die al veel worden gebruikt, zou op die infrastructuur kunnen meeliften.

Lewis stelt dat de meest veelbelovende route om op koolstof gebaseerde brandstoffen uit zonlicht te maken, door zonne-energie gegenereerde waterstof als tussenpersoon is. Van daaruit zouden goed begrepen industriële processen waterstof kunnen combineren met koolstofdioxide - opgevangen uit fabrieken en elektriciteitscentrales die fossiele brandstoffen verbranden - om een ​​reeks nuttige brandstoffen te produceren die bekend staan ​​als koolwaterstoffen. Een zonneraffinaderij zou dezelfde reeks koolwaterstofbrandstoffen kunnen creëren die tegenwoordig in olieraffinaderijen worden geproduceerd en vervolgens worden gebruikt als transportbrandstof of worden omgezet in een reeks producten van kunststoffen tot farmaceutische producten.

Hoe futuristisch dat ook klinkt, Nocera wil iets nog moeilijkers doen. Hij wil de tussenproductie van waterstof omzeilen en zonlicht, water en koolstofdioxide gebruiken om direct koolstofhoudende brandstoffen te produceren. Als deze manoeuvre kosteneffectief en op grote schaal zou kunnen worden uitgevoerd, zou het de meest efficiënte, eenmalige methode zijn om zonlicht op te slaan in de meest veelzijdige brandstoffen die de mensheid kent.

Vanuit wetenschappelijk oogpunt lijkt deze taak bijna onmogelijk. Alleen het splitsen van water om waterstof en zuurstof te genereren is al moeilijk genoeg. Maar om de eenvoudigste koolwaterstof te maken - methaan met één koolstofatoom, waaruit aardgas bestaat - is een veel complexere propositie. Dat vereist de ontdekking van nog meer nieuwe materialen om licht te absorberen en chemische reacties te katalyseren. Als gevolg hiervan is een commerciële technologie om koolstofgebaseerde brandstoffen rechtstreeks uit zonne-energie te maken veel verder weg dan een technologie die waterstof kan produceren.

Toch heeft Nocera de afgelopen drie jaar een reeks onwaarschijnlijke doorbraken gerealiseerd. De eerste was een conceptuele verschuiving: waarom zou je in plaats van door de mens gemaakte apparaten te gebruiken om de fotosynthese te verslaan, de natuur niet benutten? Nocera wist dat de natuur ingewikkelde enzymen gebruikt als katalysatoren bij de fotosynthese om zonlicht om te zetten in complexe suikers. Hij realiseerde zich dat genetisch gemanipuleerde bacteriën zich op dezelfde manier konden gedragen nadat ze waren uitgerust met een arsenaal aan krachtige enzymen.

Dus in 2015 bouwde Nocera een hybride apparaat dat eerst water splitste met behulp van een anorganische katalysator om waterstof te maken, zoals andere kunstmatige bladtechnologieën doen. Hetzelfde apparaat voedde vervolgens de waterstof, samen met pure koolstofdioxide, aan bacteriën, die vloeibare brandstoffen produceerden. Maar hoewel de insecten geweldig waren in het omzetten van koolstofdioxide en waterstof in een verscheidenheid aan brandstoffen, waren ze onverenigbaar met de anorganische katalysator, die vormen van reactieve zuurstof produceerde die het DNA van de bacterie vernietigden.

In 2016 publiceerden Nocera en collega's een paper in het tijdschrift Wetenschap kondigt triomfantelijk een nieuwe katalysator aan, gemaakt van een kobalt-fosforlegering. Het liet niet alleen de bacteriën ongedeerd, maar ook zelf-geassembleerd uit oplossing, het nabootsen van de zelfgenezende katalysatoren die in de natuur worden aangetroffen. Doordat de katalysator en bacteriën in harmonie samenwerken, was het apparaat van Nocera in staat om 10 procent efficiëntie te bereiken bij het omzetten van zonlicht in alcoholbrandstoffen. Nocera meldde dat de insecten verschillende andere koolstofbevattende moleculen zouden moeten kunnen produceren voor een reeks toepassingen, van het tanken van voertuigen tot het produceren van kunststoffen. En hij volgde dit op door in 2017 aan te tonen dat een hybride katalysator-plus-bacteriënbenadering stikstof in de atmosfeer zou kunnen fixeren om ammoniak te produceren. Dat is een prikkelende ontdekking, want meer dan 1 procent van de wereldwijde energie wordt tegenwoordig gebruikt voor de productie van ammoniak om gewassen te bemesten en de wereld te voeden. Het prototype van Nocera suggereert dat op een dag zonlicht dat proces zou kunnen aandrijven in plaats van fossiele brandstoffen.

De jury is er nog niet uit of Nocera's beslissing om levende organismen te gebruiken een goed idee is. Bacteriën zijn inderdaad nogal kieskeurig, gevoelig voor de zuurgraad en temperatuur van hun omgeving, en dus moeilijk te ontwerpen. Slim geld is voorlopig op apparaten die zonlicht gebruiken om waterstof te produceren, die sneller vooruitgaan dan apparaten die rechtstreeks op koolstof gebaseerde brandstoffen proberen te produceren. Maar door moderne materialen te combineren met de tovenarij van de natuur, kunnen onderzoekers eenvoudige waterstof toch overslaan op zoek naar een haalbare route naar de ultieme heilige graal: 100 procent schone, drop-in vervangingen voor fossiele brandstoffen.

overgenomen uit De zon temmen: innovaties om zonne-energie te benutten en de planeet van energie te voorzien door Varun Sivaram, uitgegeven door de MIT Press. 2018 Massachusetts Instituut voor Technologie. Alle rechten voorbehouden.

zich verstoppen