Ingenting koker kloden mer: Forbrenning av olje, kull og gass st?r for 80 prosent av alle menneskeskapte CO2 -utslipp. Oppvarmingen av landjorda, havet og atmosf?ren g?r fortere enn antatt. Verden m? bort fra fossile energikilder og over til nye energiformer for ? bremse oppvarmingen – f?r det er for sent.
Parisavtalen krever drastiske kutt i de globale klimagassutslippene allerede innen 2030. Det betyr en storstilt dreining mot et samfunn basert p? solenergi, vannkraft, vindkraft og b?lgekraft. Overgangen har begynt, men farten m? opp.
– Vi skal utvikle materialer for fornybar energi ti ganger raskere enn i dag
Tungregnemaskiner og kunstig intelligens finner fram til de beste materialene blant et svimlende antall hypotetiske kandidater.
– Molekyler og materialer med nye egenskaper kan gj?re de fornybare teknologiene mer effektive, mer milj?vennlige og langt rimeligere enn i dag. Uheldigvis tar det mange ?r ? utvikle nye og gode kandidater, sier Ole Martin L?vvik, som er professor II p? Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo og sjefsforsker ved SINTEF. Han viser til at tiden er knapp.
– Vi kan ikke vente femti ?r til p? ? f? neste generasjon solceller eller batterier som er mye bedre enn i dag. Vi er n?dt til ? f? det til p? – ja, la oss si fem ?r.
L?vvik legger ikke skjul p? at det ? tidoble hastigheten p? ? oppdage og utvikle nye materialer, er en formidabel utfordring. – Likevel tror vi at vi f?r det til, understreker han.
"Maskinen plukker ut kanskje tusen lovende grenseflater blant de hundre milliarder mulighetene (...)"
Men det krever at fagfeltet beveger seg inn i en fantastisk blanding av avanserte modeller, maskinl?ring og kunstig intelligens – i tillegg til automatiserte eksperimenter med roboter og intelligent datah?ndtering.
– Vi har begynt ? bruke slike teknikker i flere forskjellige teknologier og har stor tro p? at dette vil f?re til viktige gjennombrudd for det gr?nne skiftet.
Krever lagring
De fleste fornybare kildene krever en lagringsteknologi. Sol og vind er ofte tilgjengelig bare en del av tiden p? steder hvor behovet ikke er s? stort.
– Batterier er derfor en av kjerneteknologiene i omstillingen til fornybarsamfunnet, p?peker L?vvik.
Men selv om mye har skjedd med batterier de siste ?rene, er de fortsatt ikke bra nok.
– Batterier m? bli enda mye, mye bedre – kraftigere, mer effektive og p?litelige, understreker han, og legger ikke skjul p? at dette er krevende ? f? til.
Et batteri best?r av to elektroder – anoden og katoden – og mellom dem er det en elektrolytt og flere membraner. Delene er lagd av mange forskjellige materialer, og alt skal passe sammen.
– For ? lage et perfekt batteri m? ikke bare alle disse materialene optimeres, men ogs? grenseflaten mellom dem. Det siste er absolutt mest komplisert ? f? til. Selv om vi finner en super elektrode og elektrolytt, kan det hende at de to reagerer med hverandre og ender opp som et ubrukelig tredje materiale.
Batterienes DNA
Ole Martin L?vvik deltar i det europeiske prosjektet BIG-MAP: Battery Interface Genome – Materials Acceleration Platform. N?r forskerne skal akselerere utviklingen av materialer, og i dette tilfellet utviklingen av nye grenseflater i batterier, er det snakk om s? store datamengder at de sammenlikner med den enorme mengden informasjon som ligger kodet inne i DNA-et v?rt.
– Genomet hos oss mennesker bestemmer egenskapene v?re. Litt p? samme m?ten er det med materialer, hvor det er snakk om mange forskjellige atomer med forskjellige atomtall og bindinger mellom hverandre og som – p? nesten magisk vis – f?r en eller annen egenskap som gj?r det til en kjempegod solcelle eller et fantastisk bra batteri, framholder materialforskeren.
Vi trenger batterier til s? ymse. Noen ganger vil vi at det skal v?re s? lett som mulig, andre ganger s? kompakt som mulig eller s? billig som mulig. Kanskje vil vi for enhver pris unng? kobolt fordi det er giftig eller litium fordi det er en begrenset ressurs. Genomet til batteriet bestemmer egenskapene.
– Vi kan betrakte genomet som et oppslagsverk, et enormt stort leksikon med alle mulige slags materialer og grenseflater – gode p? hver sine m?ter.
Hundre milliarder muligheter
S? langt har likevel mesteparten av forskningen fokusert p? ? finne gode enkeltmaterialer, simpelthen p? grunn av kompleksiteten som f?lger av alle kombinasjonsmulighetene.
Det finnes minst hundre tusen potensielle materialer p? katodesiden og flere millioner mulige elektrolytter.
– Det gir oss svimlende hundrevis av milliarder hypotetiske grenseflater mellom katode og elektrolytt. Og s? skal dette igjen kobles sammen med en anode.
Ut av denne enorme mengden – hvordan er det mulig for forskerne ? plukke ut de aller beste?
– Egentlig m? de unders?ke milliarder med forskjellige kombinasjoner av materialer for ? utvikle nye og bedre batterier. ? gj?re dette eksperimentelt er ikke aktuelt. Hvert eksperiment er omfattende og vanskelig, og selv om vi bruker roboter med automatisk syntese og karakterisering, vil vi aldri komme i m?l, erkjenner L?vvik.
Da g?r s?kalt atomskalamodellering raskere: Forskerne lager modeller av materialet p? atomniv? og regner s? ut egenskapene ved hjelp av kvantefysikk.
– Vi kan n? forutsi mange av egenskapene til titusenvis av enkeltmaterialer med ganske god presisjon. Det gj?r vi gjennom sv?rt avanserte beregninger som krever mye regnekraft. Men n? har datamaskinene og metodene blitt s? ekstremt effektive at det er mulig ? f? mange resultater p? kort tid – s? lenge vi har tilgang til store, nasjonale tungregnemaskiner, forteller L?vvik, og legger til at dette fortsatt ikke er nok, men allikevel gir et datagrunnlag som forskerne bruker til neste trinn i prosessen.
Fra ti til ett ?r
Forskerne analyserer resultatene med maskinl?ring – som er en form for kunstig intelligens.
– Algoritmer gjenkjenner og beskriver m?nstre som for oss ikke gir mening, men som kan vise seg ? gj?re en grenseflate god. Maskinen plukker ut kanskje tusen lovende grenseflater blant de hundre milliarder mulighetene – som vi kan regne p?. Ut av de ekstreme mengdene med valgmuligheter kan vi dermed si at disse ti grenseflatene er de aller mest lovende.
Men: v?re beregninger er heller ikke fasit. De er mer p?litelige, men til sjuende og sist er det naturen som viser oss om det vi har kommet fram til, er brukbart eller ikke. F?rst etter hundre timer ser vi kanskje at, nei, litium hoper seg opp p? den ene elektroden, s? da er materialet ubrukelig likevel, sier forskeren.
Han mener tidkrevende arbeid p? laboratoriet fortsatt vil v?re n?dvendig.
– Men vi kan utnytte de nye mulighetene som modellering og eksperimenter, maskinl?ring og kunstig intelligens gir oss. Da h?per vi snart ? kunne redusere tiden i laboratoriet fra ti til ett ?r fra vi starter ? lete til vi finner et energimateriale med de egenskapene vi ?nsker oss.
– Vi leter etter vippepunkter som framskynder energiovergangen
Klimaforskere advarer mot vippepunkter – terskler vi ikke kan passere uten ? f? dype og selvforsterkende endringer. Akkurat det samfunnet trenger for rask omstilling.
Vi vet fra historien at spredningsprosesser for ny teknologi ofte g?r langsomt. Fra dampmaskinen ble oppfunnet til den ble utbredt, tok det mer enn ?tti ?r.
"H?pet er et snarlig ras av endringer innen teknologi, ?konomi, forbruk og sosiale normer."
– Det har vi ikke tid til. Vi m? forholde oss til en klima-deadline som rykker stadig n?rmere. N? unders?ker vi hvordan omstillingen kan g? raskere, forteller f?rsteamanuensis Allan Dahl Andersen p? TIK – Senter for teknologi, innovasjon og kultur. Han leder en arbeidspakke i NTRANS – The Norwegian Centre for Energy Transition Studies som nettopp studerer hvordan det er mulig ? f? fart i overgangen til lavutslippssamfunnet.
Vil ha vippepunkter
I boka Verden p? vippepunktet gir biologiprofessor Dag O. Hessen skremmende eksempler p? at sm? endringer kan skape omslag i stor skala. Blant de viktigste vippepunktene er issmeltingen i Arktis. N?r mindre is reflekterer sollyset, f?rer det til mer oppvarming – som igjen f?rer til enda mer intens issmelting.
– Vi ?nsker ikke vippepunkter i naturen, men vi ?nsker dem i samfunnet. I dag g?r utviklingen mot fornybarsamfunnet langsomt. H?pet er et snarlig ras av endringer innen teknologi, ?konomi, forbruk og sosiale normer, framholder Andersen.
M? rigge et nytt system
Ogs? samfunnsforskerne mener at utviklingen av ny teknologi er sv?rt viktig.
"Om vi skal f? til en stor omstilling, m? vi rigge et helt nytt system."
– Men teknologiske nyvinninger er likevel bare halvg?tt l?p. For at teknologiene skal spre seg og f? et virkelig gjennombrudd i samfunnet, m? det skje endringer p? sv?rt mange plan, understreker professor Taran Mari Thune p? TIK. Hun leder INTRANSIT, et forskningssenter som nettopp forsker p? gr?nn omstilling (se side 30).
Thune viser til at overgangen til fornybar energi krever en lang rekke innovasjoner i samfunnet og blant folk.
– Om vi skal f? til en stor omstilling, m? vi rigge et helt nytt system. Verden g?r mot null-utslipp, og det inneb?rer h?yst sannsynlig dype endringer i kultur, teknologi, infrastruktur, organisasjoner, markeder, reguleringer og forbruksm?nstre – alt m? trekke samme vei.
Gr?nn omstilling noe for seg selv
Forskerne minner om at det har v?rt mange store teknologiomstillinger gjennom historien.
Nye teknologiske l?sninger har ofte vokst fram nedenfra. De fikk sine gjennombrudd fordi de kunne noe annet enn de eksisterende l?sningene, de var billigere, raskere, kraftigere, bedre.
Med gr?nn teknologiomstilling er det annerledes.
– De fornybare l?sningene tilbyr i liten grad brukerne noe ekstra, noe de gamle ikke kan. Tvert imot er de ofte b?de dyrere og mer kompliserte, p?peker Andersen, og mener at det derfor m? komme noen drivere som er annerledes enn f?r, ikke minst med tanke p? at endringene n? m? skje s? fort.
Politisk vilje til ? sette retning
Han understreker hvor viktig det er ? forst? hvordan samfunnsakt?rer og politikken bidrar til endringene.
– For eksempel betyr en vellykket omstilling til fornybarsamfunnet at vi ogs? m? bygge ned og fase ut ressurser, teknologi og kunnskap som lenge har tjent oss godt. Omstillingen kan derfor bli b?de kontroversiell og konfliktfylt.
I et av prosjektene p? TIK, Pathways – Conflicting Transition Pathways for Deep Decarbonization, studerer forskerne nettopp spenninger og konflikter i samfunnet.
Andersen viser til at politikken st?r overfor en trippel utfordring: Markeder og brukere verdsetter ikke i tilstrekkelig grad b?rekraft, interessekonflikter om retning og hastighet bremser omstillingen, og det er i seg selv en stor utfordring at omstillingen m? skje s? raskt.
– Politikken spiller en avgj?rende rolle i ? finne fram til l?sninger og kompromisser. Hvis ikke kan spenninger og konflikter bremse utviklingen og hindre at vi lykkes.
Forskeren minner om at utfordringene er nye, at ingen har alle svarene.
– Derfor er det avgj?rende ? eksperimentere med politikk, teknologi, nye levem?ter, transportsystemer og mye mer. Her spiller forskning en viktig rolle framover.