Hydrogen kan bli en av de viktigste og reneste energikildene i fremtiden. N?r hydrogen forbrennes, dannes det vanndamp. Intet annet. Det store sp?rsm?let er hvordan hydrogen kan fremstilles renest mulig. Per-Anders Stensby Hansen p? Kjemisk institutt har n? funnet l?sningen p? hvordan det er mulig ? produsere ren hydrogen med sollys.
For ti ?r siden tok han doktorgraden p? hvordan det var mulig ? lage mer effektive solceller ved ? omdanne UV-lys til sollys. N? har han snudd problemstillingen p? hodet. N? forsker han p? hvordan det er mulig ? produsere hydrogen ved ? omdanne synlig lys til UV-lys.
Her bruker han noe som kalles for fotokatalytiske materialer. Dette er materialer som setter i gang kjemiske reaksjoner n?r sollyset skinner p? dem. Et av de mest kjente er titanoksid. Titanoksid har den helt spesielle egenskapen at det kan rive vannmolekyler fra hverandre og danne hydrogen og oksygen n?r sollyset skinner p? det.
Likevel brukes ikke dette materialet til ? produsere hydrogen i dag. Forklaringen er at titanoksid absorberer lite sollys. Det er derfor langt mer energieffektivt ? produsere hydrogen med elektrolyse. Selv om str?mmen til elektrolysen dannes med solceller, ville det ha v?rt mye bedre om man kunne bruke titanoksid til ? produsere hydrogenet direkte. Da sparer man b?de materialer og det ? m?tte g? omveien om elektrolyse.
Dagens svakhet
Den store svakheten er at titanoksid uheldigvis bare kan absorbere den sv?rt lille andelen av sollyset som inneholder UV-lys. Mens UV-str?lingen utgj?r en til to prosent av sollyset, utgj?r det synlige sollyset en tredjedel av energien i sollyset. Det er ikke akkurat effektivt ? la mesteparten av solenergien g? til spille.
– Hvis industrien skal bruke solenergi til ? fremstille hydrogen, m? sollyset utnyttes mye bedre, poengterer Per-Anders Stensby Hansen, som b?de er forsker i Solenergigruppen p? Institutt for energiteknikk og ved Senter for materialvitenskap og nanoteknologi p? Kjemisk institutt ved Universitetet i Oslo.
Stensby Hansen unders?ker hvordan det er mulig ? konvertere sollys til UV-lys for ? f? best mulig effekt av de fotokatalytiske egenskapene i titanoksidet.
Trikset hans er ikke ? endre p? titanoksidet, men ? legge p? en nanotynt lag. Det er nettopp dette laget som skal omdanne det synlige lyset til UVlys slik at titanoksidet f?r mest mulig UV-lys. Da vil det v?re mulig ? produsere mye mer hydrogen.
Trikset
Som kjent best?r lys av lyspartikler. Lyspartikler kalles for fotoner. Det store poenget til Stensby Hansen er ? ta tak i fotoner med lav energi og sende dem ut som fotoner med h?y energi.
Fotonene fra det synlige lyset har lavere energi enn fotonene fra UV-lyset. To r?de fotoner har like mye energi som ett UV-foton. Regnestykket er derfor av det meget enkle slaget:
– Vi m? f? tak i to r?de fotoner og sy dem sammen til ett UV-foton.
For ? klare dette m? Stensby Hansen lage en s?kalt energistige. Hver gang et foton treffer et ion (et ladet atom), skal energien ?kes lite grann. S? sendes fotonet til neste ion. Og til et tredje ion.
– Hver gang ionet treffes av et foton, f?r det tilf?rt ekstra energi.
Stensby Hansen skal med andre ord lage en energistige som s?rger for at det dannes nok energi til ? lage UV-fotoner.
Selv om dette h?res avansert ut, er energistigen ingen nyhet i seg selv. Den ble oppfunnet allerede for 60 ?r siden og brukes i dag i en rekke teknologier, der man ?nsker ? gj?re om lavenergilys til h?yenergilys. Ett eksempel er fra den medisinske verden. Biomark?rer kan ta med seg fotokatalytiske stoffer inn i kreftceller. N?r disse stoffene blir bestr?lt med infrar?dt lys – som er lys med meget lav energi – vil stoffene omdanne lyset til UV-lys og drepe kreftcellene innenifra.
Selv om metoden er velkjent, inneholder den en stor svakhet. Ionene i energistigen absorberer sollyset meget d?rlig.
– Denne teknologien er derfor aldri blitt brukt til ? h?ste energi.
For ? f? bedre tak i sollyset skal Stensby Hansen ta i bruk noe som kalles for antenne, eller sensitizer p? engelsk. Da vil systemet bli mer ?f?lsomt?. Antennen har den spesielle egenskapen at den absorberer lys og sender energien videre. Dette er heller ikke nytt, men det er n? den store utfordringen kommer.
For ? lage et system som genererer mest mulig energi, m? forskerne finne den antennen som fungerer best med energistigen.
Det store problemet er at de materialene som m? brukes til energistigen, ikke passer sammen med de materialene som absorberer sollys.
Utfordringen
Stensby Hansen har dessuten enda en utfordring. I energistigen m? ion 1 kommunisere med ion 2, som igjen m? kommunisere med ion 3, men ion 1 m? for all del ikke kommunisere direkte med ion 3. Samtidig m? ionene bare ligge en nanometer (en milliontedels millimeter) fra hverandre. Ellers fungerer ingenting.
De rette stoffene forsterker absorpsjonen av sollyset med et sted mellom hundre tusen og én million ganger. En av mulighetene hans er ? bruke fargestoffer. Fargestoffer har de ?nskede egenskapene, men de reagerer uheldigvis p? b?de l?semidler og luft. Det er ikke akkurat s? smart. ?nsket er jo ? lage s? stabile materialer som mulig.
– Det er grisete ? sette sammen atomer fra forskjellige materialklasser i nanostrukturen. Mange forskere har pr?vd seg p? dette. Det er en del praktiske problemer med hva vi kan kna og putte sammen, men vi har n? begynt ? f? det til, str?ler Stensby Hansen.
Atomlag for atomlag
For ? komme i m?l bruker han en avansert maskin som kalles for atomlagsdeponering. Her kan forskerne kontrollere nanostrukturen ved ? legge p? ett og ett atomlag om gangen.
– Vi kan dessuten kombinere mange forskjellige stoffer og svitsje mellom materialklasser.
– Hvor mange lag trenger dere?
– De beste strukturene inneholder seks til sju ulike nanolag. S? repeterer vi denne strukturen hundre ganger.
Da har de et ?tykt? nok materiale til ? kunne konvertere sollys til UV-str?ler. Likevel blir materialet deres ikke mye tykkere enn 100 nanometer. Det er lite. Hvis materialet skal dekke et omr?de like stort som en fotballbane, vil det bare veie noen f? gram.
Ett av grunnstoffene i den avanserte, kjemiske strukturen er thulium. Thulium utvinnes f?rst og fremst i Kina. Hvert ?r produseres det 50 tonn thuliumoksid p? verdensbasis. Ettersom thulium er ganske sjeldent og vanskelig ? utvinne, er prisen for ett gram thulium 50 amerikanske dollar.
Selv om det h?res dyrt og dristig ut ? gj?re seg avhengig av thulium, p?peker Stensby Hansen at han trenger sv?rt sm? mengder av dette sjeldne jordmetallet for ? h?ste energi. Det skal bare legges inn et atom her og der.
– Er materialet ditt milj?vennlig?
– Svaret er b?de ja og nei. Ingen av stoffene er spesielt giftige. Og som sagt trenger vi sv?rt lite av det. Og n?r materialet deres er klart, skal det alts? legges opp? titanoksid. Da kan det brukes til ? produsere ren hydrogen i fremtiden.