Svenska forskare tillhör forskningsfronten när det gäller att utveckla nya sätt att utnyttja solen som energikälla. Visionen är att efterlikna fotosyntesen, ett recept på grön kemi som i framtiden kan ge oss solbränsle med vanligt vatten som råvara och även nästa generations solceller.
Projektanslag 2011
Molecular solar energy science
Huvudsökande:
Anders Hagfeldt, professor i fysikalisk kemi
Medsökande:
Stenbjörn Styring
Lärosäte:
Uppsala universitet
Beviljat anslag:
48,0 miljoner kronor under fem år
En timme i solgasset räcker inte långt om man vill bli sommarbrun. Men samma ynka timme skulle vara tillräcklig för att förse hela mänskligheten med energi under ett år - om det bara gick att effektivt fånga in det solljus som strålar in till jorden. All världens energiproblem skulle alltså kunna lösas i ett nafs, om det vore möjligt att omvandla och lagra solenergin utan stora förluster.
Förhoppningarna knyts till biomimetik, en teknik som går ut på att kopiera naturens egna smarta mekanismer. Ett nätverk av svenska forskargrupper vid Uppsala universitet, KTH och Stockholms universitet har sedan 1990-talet banat väg för flera forskningsspår och tillhör nu världstoppen.
Solbränslen direkt från levande organismer
Det ena spåret syftar till att förbättra naturens egen produktion av solbränslen. Cyanobakterier och grönalger är fotosyntetiska mikroorganismer, och de enda existerande organismer som kan använda solenergi för att göra vätgas, vilket är ett tänkbart framtida bränsle. Idén i projektet är att utnyttja genetisk ingenjörskonst och syntetisk biologi. Med dessa metoder kan forskarna skräddarsy energiomsättningen för att få ut maximalt med bränsle. Mikroorganismernas bränsle kan utvinnas från speciella odlingskammare där ljuset utnyttjas för att driva bränsleproduktionen.
Kunskapen om enzymer från mikroorganismerna används även som förebild för nästa spår: att på rent kemisk väg härma växternas fotosyntes för att kunna tillverka bränsle av vatten och solljus.
– Den naturliga fotosyntesen, som är basen för allt liv på jorden, använder solenergi och vatten för att bilda energirika ämnen. Vi vill göra samma sak, fast i laboratoriet, och tillverka ett bränsle som vätgas i stället, förklarar Anders Hagfeldt, som är professor i fysikalisk kemi vid Uppsala universitet.
För att lyckas måste forskarna skapa supermolekyler som kan utnyttja energin från solen för att spjälka vatten och producera till exempel vätgas på samma sätt som sker i gröna växter.
Det är svårt att göra vätgas, men det går, och i Uppsala har man tagit fram en serie katalysatorer som kopierar det naturliga enzymet mycket väl.
Den stora stötestenen är dock att få fram katalysatorer som kan oxidera vatten utan att oxidera sönder sig själva. Det är ett stort problem även i naturen. Klorofyllet förstörs kontinuerligt och måste byggas upp på nytt.
En ny generation solceller
Både i Uppsala och på KTH har man lyckats med att få fram lovande katalysatorer. I Uppsala är de uppbyggda runt metallen kobolt, medan Licheng Sun och hans kollegor vid KTH har lyckats utveckla en effektiv katalysator med rutenium som går runt mer än 10 000 gånger innan den går sönder.
Våren 2012 kom ett nytt genombrott med en rekordsnabb katalysator. Den naturliga fotosyntesen jobbar i 100 till 400 utbyten per sekund. Den nya katalysatorn når upp till liknade hastigheter, 300 utbyten per sekund, en väsentlig förbättring med tanke på att tidigare katalysatorer som bäst kommit upp i fem utbyten per sekund.
– Resultaten med de olika katalysatorerna har väckt stor uppmärksamhet världen över och är mycket lovande för framtiden, säger Anders Hagfeldt. Vi är det enda nätverket just nu som har egna katalysatorer som drivs av ljus både för spjälkning av vatten och för att göra vätgas.
Det tredje spåret syftar till att utveckla effektivare solceller som kan lagra mer energi. Fokus riktas mot nästa generations solceller, så kallade Grätzelceller, som är mycket billiga. Vanligt glas är den dyraste komponenten.
– Principen bakom är så enkel att man lätt kan bygga en fungerande solcell hemma och vi har även utvecklat laborationspaket som används på kemilektioner i skolorna, säger Anders Hagfeldt.
Likheten med naturens fotosyntes består i att solenergin fångas upp av ett färgämne och att det sker en laddningstransport; i Grätzelcellen via ett titandioxidmembran, i stället för ett proteinmembran som hos växterna.
Tätare samarbete skapar nya idéer
De svenska forskargrupperna ska nu börja samarbeta tätare i ett projekt med stöd från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse. Förhoppningen är att den gränsöverskridande forskningen ska föda nya idéer och ge synergieffekter.
Drivkraften är en vision om att lösa världens energiproblem. I framtiden kan privatpersoner komma att ha en solbränsleanläggning hemma på taket, en glasplatta där vatten leds in som råvara och där vätgasen kommer ut på andra sidan. Större solkraftverk i soldränkta områden eller mindre anläggningar vid städer och industrier kan bli verklighet. På så vis kan vissa områden bli mer självförsörjande och inte lika sårbara vid haverier eller militära konflikter.
– Man kan till och med tänka sig att vi kan omvandla solenergi inte bara till el och vätgas utan även till flytande bränslen, vilket är en fördel eftersom all infrastruktur redan existerar. Som forskare måste vi våga tänka djärvt och satsa mot nya genombrott. Jag tror verkligen på solenergi som den stora potentialen för energiförsörjningen globalt sett, även om det inte kommer att vara den enda energikällan, säger Anders Hagfeldt.
Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström
