Kanske växer en del av lösningen på världens energiproblem fram i ett labb på Umeå universitet. Där håller en forskargrupp på att utveckla ett lövliknande membran som ska förvandla solljus till miljövänligt bränsle. Forskarna vill härma fotosyntesen, men göra den mycket effektivare.
Projektanslag 2011
The artificial leaf: light-driven
Huvudsökande:
Johannes Messinger, professor i biologisk kemi
Medsökande:
Göran Samuelsson
Jyri-Pekka Mikkola
Ludvig Edman
Mattias Marklund
Bertil Eliasson
Lärosäte:
Umeå universitet
Beviljat anslag:
40,3 miljoner kronor under fem år
Den största energikälla som finns är solen. Det solljus som når jorden under en timme innehåller mer energi än vad vi människor gör av med på ett år. Frågan är bara hur vi ska kunna infånga, omvandla och lagra solenergin så att den går att utnyttja optimalt.
– Tanken är att vi i första hand ska utveckla en effektivare metod för att transformera och lagra solenergi som bränsle, som till exempel kan användas för att driva bilar eller värma våra hem. Vårt arbete är egentligen att visa att det är möjligt, sedan får andra utveckla själva tillämpningen, säger Johannes Messinger professor i biologisk kemi vid Umeå universitet.
Enkel idé med vissa utmaningar
I labbet håller Johannes Messingers forskargrupp på att utveckla ett membran som när det läggs i vatten och utsätts för solljus kan spjälka vattnet och bilda vätgas och syrgas. Detta har möjliggjorts med hjälp av anslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.
I korthet går metoden ut på att solljuset absorberas av pigment eller halvledare, som sedan skapar positiva och negativa laddningar från solljuset. Laddningarna ska sedan separeras så att de positiva samlas på den ena sidan och de negativa på den andra sidan, av membranet. När de positiva och negativa laddningarna träffar på katalysatorer på membranytan sker kemiska reaktioner som leder till att vattnet spjälkas och vätgas och syrgas bildas.
– Idén är enkel men den innehåller en del utmaningar som vi måste lösa, som till exempel hur vi ska kanalisera de negativa och positiva laddningarna till var sin sida av membranet.
En annan utmaning är att det krävs en stark oxiderande drivkraft för att spjälka vattnet, vilket innebär att det finns en risk att även själva membranet oxideras och skadas. Även andra processer kan skada membranet. Växter och cyanobakterier löser problemet genom att återskapa de delar som förstörs en gång i halvtimmen, när det råder fullt solljus, men ett artificiellt löv måste vara stabilt under en lång tid. Dessutom måste tekniken bli både billig och effektiv för att den ska bli användbar.
Hemligheten ligger i fotosystem II
Johannes Messinger har under hela sin forskarkarriär ägnat sig åt att studera den naturliga fotosyntesen och hur vatten spjälkas till syre och väteliknade produkter.
Vattenspjälkning är en process som sker i gröna växter, alger och cyanobakterier. Den äger rum i ett stort proteinkomplex som kallas fotosystem II. Där delas vattnet upp i syre, protoner och elektroner. Vid konstgjord fotosyntes vill man dessutom kombinera protonerna och elektronerna med varandra för att på ett effektivt sätt bilda energirik vätgas.
Forskarna försöker att efterlikna naturliga processer med olika typer av katalysatorer. För att spjälka vattnet används ett metallkomplex, liknade det som finns i fotosystem II. Och för att kombinera protoner och elektroner till vätgas används ett aktivt järnkomplex, liknande det som återfinns i olika mikroorganismers enzym – hydrogenas.
– Metallkomplexet måste vara stabilt, effektivt, billigt och metallen måste finnas i stora mängder. Mangan, kobolt och nickel är några metaller som vi använder i våra försök.
"Det bästa med processen är att den är helt miljövänlig. Den startar med vatten som spjälkas för att sedan återgå till vatten i ett cykliskt förlopp när vätgasen förbränns och dess lagrade energi kan utnyttjas som värme eller el."
Bättre än originalet
Målet för forskarna är att framställa en konstgjord fotosyntes som är effektivare än originalet.
– Växterna använder energi från fotosyntesen även för att växa och föröka sig. För att fotosyntesen ska fungera får solljuset inte heller vara för kraftigt. Vi vill kunna utsätta membranet för ett kraftigt solljus. Naturligtvis saknar det artificiella systemet också tillväxtfasen, konstaterar Johannes Messinger.
Vanliga växter kommer knappt upp i en procents effektivitet för omvandlingen från solljus till bränsle. Johannes och hans grupp satsar, i samarbete med flera andra forskargrupper vid Umeå universitet, på att komma upp till 10 – 15 procents effektivitet.
– En forskargrupp på MIT i Boston jobbar med ett koncept som liknar vårt förutom att de använder andra material. De har kommit upp i 2,5 procent vilket visar att idén fungerar. Nackdelen med deras process är att den är för dyr för att kunna massproduceras.
Ska kunna tryckas
För att göra processen billigare att producera försöker Johannes och hans kollegor göra membranet tryckbar.
– Tanken är att använda sig av rulle-till-rulle teknik, på liknande sätt som en tidning tillverkas. Redan i dag används den tekniken bland annat för att producera framtidens belysning. Men det kommer att dröja flera år tills vi kommit så långt.
Han tror också att när väl tekniken med ett membran som drivs av solljus för att producera vätgas fungerar, ska den också gå att överföra till en metod för framställning av metanol eller etanol.
Johannes Messinger kom till Umeå universitet för fyra år sedan från Max Planck- Institutet i Mühlheim i hemlandet Tyskland där han var gruppledare. I Umeå koordinerar han en grupp forskare bestående av kemister, fysiker och fysiologer som slagit sig samman för att bidra med en miljövänlig lösning på världens energibehov.
– Det finns en väldigt bra vetenskaplig miljö här vid Kemiskt-Biologiskt Centrum i Umeå. Det känns som det är rätt ställe att utveckla arbetet med den artificiella fotosyntesen.
Text Carina Dahlberg
Bild Magnus Bergström
