Fotosyntes
Stiftelsen stödjer två projekt som syftar till att utnyttja solens energi för att framställa vätgas.
Artificiell fotosyntes "Vätgas ur Solenergi och Vatten - från naturlig till konstgjord fotosyntes"
Växterna använder solenergi som sin energikälla och vissa grönalger och cyanobakterier bildar vätgas från vatten med hjälp av solenergi. Att härma naturens uppfinningsrikedom för att få tillgång till förnyelsebar energi kan vara en lösning på framtidens energiförsörjning.
Bakgrund
Konsortiet för artificiell fotosyntes bildades i mitten av 90-talet av forskargrupper vid universiteten i Lund, Uppsala och Stockholm. Idén var att utnyttja kunskapen om naturens fotosyntes för att skapa ett nytt energisystem. En femte grupp från Uppsala universitet anslöt sig 2002. Fyra av grupperna har nu samlats i Uppsala och bildar den nya institutionen för fotokemi och molekylärvetenskap, som nyligen flyttat in i nybyggda laboratorier vid Ångström laboratoriet. En grupp i Konsortiet stannar i Lund.
Projektbeskrivning
Växternas fotosyntes har länge studerats för att förstå hur solenergi kan omvandlas till användbar kemisk energi i naturen. Inom Konsortiet används kunskapen för att producera ett bränsle för samhällets behov från de outtömliga resurserna solenergi och vatten. Ett problem med att använda solenergi är att det är så svårt att lagra energin på ett effektivt sätt och använda den när man önskar. Om solenergin istället kan omsättas direkt till ett bränsle som går att lagra, är slaget till stor del vunnet. Vätgas anses idag vara ett lovande bränsle för framtiden. Avsikten i forskningsprojektet är att utveckla metoder för att bilda vätgas från solenergi och vatten, både med hjälp av levande organismer och i ett helt artificiellt system.
Konsortiet för Artificiell Fotosyntes har två principiellt olika forskningslinjer, men båda har som mål att kunna producera vätgas med hjälp av solenergi och vatten. Den naturliga fotosyntesen hos växter innebär en omvandling av ljusenergi, vatten och koldioxid till kemisk energi och syrgas. Den kemiska energin används för att bygga upp växternas näringsämnen och utgör källa för mat, papper och biomassa. I naturlig fotosyntes ingår ett enzymkomplex med det ljuskänsliga färgämnet klorofyll, tyrosin (en aminosyra) och ett metallkomplex med fyra manganatomer, som samverkar till att fånga ljusenergi, vilket leder till att vatten spjälkas i sina beståndsdelar, väte och syre. Inom konsortiet har man framställt nya syntetiska metallkomplex med rutenium, istället för klorofyll, och manganatomer som kan fånga in och omvandla solenergi. Man försöker inte helt efterlikna det naturliga systemet, eftersom klorofyll är extremt ljuskänsligt och därför svårt att arbeta med.
Avsikten med forskningen är att i stället för som i naturlig fotosyntes, som ger syrgas och vätejoner, producera vätgas, som anses vara framtidens rena och lagringsbara bränsle. Man har visat att de syntetiska reaktionscentra man framställt, fungerar väl och delvis kan efterlikna det naturliga förloppet. Dock har man ännu inte lyckats med att spjälka vatten. Detta är " svår kemi" och det "kommer att ta många år innan vi lyckas". I naturen katalyseras bildningen av vätgas av ett enzym, hydrogenas, som innehåller aktiva järnatomer. Inom konsortiet framställs nya syntetiska katalysatorer som också innehåller järnatomer. Dessa kan förmedla vätgas produktion och projektet syftar till att driva denna reaktion med solenergi.
Den andra forskningslinjen bygger på ett biologiskt förlopp, där vätgas framställs naturligt. Vissa blågröna alger, cyanobakterier, kan producera vätgas ur vatten. Hur detta sker är ännu inte känt. Genom att studera dessa cyanobakteriers arvsmassa, hoppas man kunna förstå vilka gener som är involverade i vätgasproduktionen. I naturen har denna reaktion låg effektivitet, men genom att genetiskt modifiera de naturliga algerna tror man att det går att effektivisera vätgasproduktionen. Avsikten är att odla cyanobakterier i en bioreaktor där vätgasen skall framställas. Konsortiet utvecklar också den första bioreaktorn av detta slaget i landet.
Under de dryga tio år som gått sedan starten har ett rikt och mångfacetterat forskningsprojekt vuxit fram. Synteskemi har kombinerats med laserspektroskopi, biokemiska studier av växter med ultrasnabb femtokemi, molekylärbiologi hos cyanobakterier med bioreaktorforskning där vätgas bildas m.m. Konsortiet har rönt betydande framgångar med sin målinriktade grundforskning både nationellt och internationellt.
Fakta
Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse stödde projektet Artificiell fotosyntes i under 1990-talet med drygt 25 miljoner kronor under fem år. Tillsammans med ett nyligen beviljat forskningsbidrag om 70 miljoner kronor, varav 30 miljoner till ny utrustning har Stiftelsen totalt stött projektet med drygt 97 miljoner kronor. En annan stor finansiär av projektet har varit Energimyndigheten.
Projektet är lokaliserat vid Ångströmlaboratoriet i Uppsala samt vid Lunds universitet. Totalt är cirka 50 forskare engagerade i projektet.
Solar Cells & Solar Fuels
Under cirka en halv timmes solbelysning tillförs vår planet ungefär den energimängd, som mänskligheten förbrukar under ett år. För närvarande utnyttjar vi bara en bråkdel av denna energi i vår energiförsörjning, huvudsakligen i form av biomassa och vattenkraft. Användningen av solceller för i första hand elproduktion är därför av stort intresse.
Bakgrund
Utvecklingen på området har hunnit längst när det gäller halvledarceller, t.ex. kiselceller och nu senast tunnfilmsceller. Ett problem är att dessa solceller är avancerade rent materialtekniskt och följaktligen dyra att producera. Därför har man också utvecklat vätskebaserade celler (så kallade Grätzel-celler, uppkallade efter uppfinnaren), där fotoelektroden består av sintrade nanopartiklar av titandioxid, det billiga pigmentet i vit färg, som belagts med små mängder av ett färgämne, som absorberar synligt ljus. Dessa solceller är ännu inte lika effektiva som kiselceller och tunnfilmsceller, delvis beroende på att de innehåller flera olika komponenter, vilka inte samverkar optimalt.
Projektbeskrivning
Ett nätverk bestående av forskare från Kungl Tekniska högskolan, Stockholms universitet och Chalmers tekniska högskola har bildats kring ett gemensamt projekt "Solar Cells & Solar Fuels". Projektet syftar till att utveckla mer effektiva solceller av s.k. Grätzeltyp och att framställa vätgas med hjälp av energi från solceller. Arbetet leds av en styrelse där professorerna Anders Hagfeldt, och Licheng Sun, KTH, är huvudansvariga för Solar Cells respektive Solar Fuels,. Övriga ledamöter är professorerna Bo Albinsson, CTH, Jan-Erling Bäckvall, SU, Lars Kloo, KTH, Gunnar Landgren, KTH, och Björn Åkermark, SU, ordförande. Nätverket har ett nära samarbete med Dalian University of Technology (DUT).
Projektet har två delar, en för att förbättra effektiviteten i Grätzelsolceller och en för att utveckla nya ljuskänsliga pigment och att studera deras förmåga att överföra elektroner till titanoxidelektroden i solcellen. Man önskar också förbättra jonmedierna i solcellen och dessutom undersöka olika katalysatorers förmåga att oxidera vatten och reducera protoner till vätgas.
Genom ett stort tvärvetenskapligt projekt, där flera olika discipliner ingår, hoppas man kunna komma tillrätta med de ovan nämnda problemen. I nätverket finns experter på solceller, fotofysik, materialkemi, kvantkemi och synteskemi. Ett grundläggande problem är att de färgämnen, som hittills utnyttjats, är kemiskt instabila och vattenlösliga, vilket är orsaken till att organiska lösningsmedel måste användas i cellen.
Förutom att generera elektricitet vill man också försöka konstruera en solcell, som kan utnyttjas för att framställa ett bränsle som kan lagras. På detta sätt kan sommarens rikliga solenergi lagras och utnyttjas under den mörka årstiden. Samhället söker ett framtida bränsle för att ersätta de fossila bränslena, vilka på sikt måste få minskad betydelse. Dels räcker de inte i oändlighet, och dels ger de upphov till växthuseffekten. Ett effektivt bränsle måste ha högt innehåll av energi per enhet och det måste vara miljövänligt att hantera och förbränna. Vätgas uppfyller dessa krav. Det har stort energiinnehåll och när vätgas förbränns bildas vatten. Runt om i världen görs för närvarande stora satsningar på att utveckla metoder för att hantera och använda vätgas och det förefaller som om de flesta tekniska problemen har lösts eller är på väg att snart lösas. Däremot saknas fortfarande en uthållig process för framställning av vätgas.
Avsikten med studierna är att utnyttja den naturliga fotosyntesen som modell för att reducera protoner i vatten till vätgas på ett liknande sätt som utnyttjas i naturen för att reducera koldioxid till biomassa.
Detta innebär att man måste bygga in två katalysatorsystem i en solcell. Dels behövs en katalysator som kan katalysera reduktion av protoner, och dels en som kan katalysera överföring av de erforderliga elektronerna för denna reduktion från vatten, samtidigt som detta oxideras till syrgas. Liksom i växterna skall processen drivas av solljusets energi. Som modell för oxidationskatalysatorn finns Fotosystem II i de gröna växterna och som modell för vätgaskatalysatorn de s.k. hydrogenaser, som finns i organismer som cyanobakterier. När det gäller hydrogenasmodeller finns flera fungerande enzymmodeller, men när det gäller oxidation av vatten saknas modeller som fungerar på ett övertygande sätt. I projekten utvecklas kemi och kemiteknik för att utveckla katalysatorer för vattenoxidation.
Fakta
Stiftelsen har beviljat nätverket ett anslag om totalt 46 miljoner kronor för stöd till projektet Solar Cells & Solar Fuels. Projektet engagerar ca 20 forskare.
Man räknar med att utveckla nya typer av färgämnen, t. ex, s.k. ftalocyaniner. Denna klass av föreningar har sedan länge utnyttjats som mycket stabila färgämnen för många olika typer av material, men de har hittills varit svårt att använda dem som färgämnen i fotoceller. I det föreslagna projektet skall man framställa och testa nya ftalocyaniner optimerade för solceller. Man skall också studera organiska färgämnen, som är billigare och enklare att framställa men som hittills visat sig vara relativt ineffektiva. Ett annat problem, som man skall försöka lösa, är att de elektrolyter som används idag i solceller tenderar att avdunsta, vilket begränsar livslängden. Genom att använda jonvätskor med integrerade reduktionsmedel hoppas man kunna minska förlusterna i cellen väsentligt. Slutligen skall man försöka öka effektiviteten av fotocellerna genom att göra elektroder bestående av flera skikt, vilka anpassas så att de absorberar ljus vid olika våglängder.