Det nya bränslet

En timme i solstolen räcker knappast för att bli brun som en pepparkaka, särskilt inte den här sommaren. Men om det bara gick att fånga in alla solens energirika strålar som träffar jorden på ett effektivt sätt vore en timme precis vad som behövs för att klara människans energiförsörjning under ett helt år. Det skulle i ett slag lösa framtidens energiproblem, och vi skulle slippa använda olja, kol och andra fossila bränslen.

Det är helt nödvändigt att satsa på solenergi, menar en av frontforskarna på området, Daniel Nocera, som är professor vid MIT i Boston. Han har räknat ut att världens energianvändning kommer att ha fördubblats om 50 år.

– Ska vi klara dagens levnadsstandard för alla på jorden måste vi bygga 6 000 nya kärnkraftverk, plantera energigrödor på all odlingsmark och bygga jättehöga vindsnurror på den mark som blir över.

Eller så måste vi bli bättre på att utnyttja solens potential som energikälla. Det är Daniel Noceras recept och intresset är stigande. I USA investeras alltmer pengar i den här forskningen.

Effektivare solceller tas fram, men fortfarande är tekniken långtifrån fulländad och alldeles för dyr. Och en nackdel är svårigheten att lagra el från solceller en längre tid, till exempel från sommar- till vintersäsongen. Det blir särskilt kännbart i ett kallt och mörkt land som Sverige.

Därför riktas blickarna mot hur man ska kunna tillverka vätgas i stället, ett bränsle som kan lagras och flyttas. En av de världsledande forskargrupperna finns i Uppsala och vill de använda sol och vatten som huvudingredienser.

Visionen är att privatpersoner ska kunna ha en solbränsleanläggning hemma på taket, en glasplatta där man leder in vatten som råvara och där vätgasen kommer ut på andra sidan.
Stenbjörn Styring är professor i molekylär biomimetik och leder forskningen på Ångströmlaboratoriet vid Uppsala universitet.

– Får vi samma effektivitet på våra apparater som en solcell har i dag, så kommer ett garagetak att räcka för att köra bilen, bränsle från taket på en villa kommer att räcka för att värma hela villan och ett större fält kan värma en hel affärsanläggning.

Den gröna vätgasen ska kunna användas i alla sammanhang där fossila bränslen dominerar i dag.

Hemligheten ligger i att kunna härma växternas fotosyntes. Och det är den livsprocessen, basen för allt liv på jorden, som Stenbjörn Styring och hans kollegor forskar om.
– För att göra vätgas från solenergi och vatten kan man antingen använda växter eller organismer, eller så kan man göra det på konstgjord väg i labbet, säger han. Vi är de enda i världen som kombinerar båda inriktningarna i vår forskning.

Det ena forskningsspåret är biologiskt och går ut på att modifiera alger och cyanobakterier för att framställa vätgasen. Cyanobakterier känner vi igen från somrarnas algblomningar i svenska vatten. Organismer liknande de som förstör badstränderna kan alltså komma till nytta som framtida producenter av bränsle.

En del av forskningen utförs i ljusstarka rum. Provglas med gröna organismer, ungefär som små akvarier, skvalpar omkring på vibrerande plattor. Annars sjunker algerna till botten och dör. Själva bioreaktorn där man kan framställa vätgasen ser ut som ett stående akvarium. Algerna odlas innanför glaset, kraftigt ljus lyser från alla sidor, de cirkulerar med hjälp av pumpar, och vätgasen avges i toppen.

– Det här är en till synes enklare seger för forskningen, men jag är inte så säker på att den har samma potential som det syntetiska spåret, säger Stenbjörn Styring.
Det andra spåret handlar om att på rent kemisk väg härma växternas fotosyntes. Forskarna vill skapa en supermolekyl som kan spjälka vatten på samma sätt som sker inuti ett vackert lönnlöv.

Det är lättare sagt än gjort. Fotosyntesen är en fantastisk mekanism som bygger på mycket avancerad kemi och en lång rad invecklade händelser.
Först fångar klorofyllet i växternas blad in solljuset och omvandlar solenergin till kemisk energi. Den blir till slut elektrisk i form av elektroner när vattnet spjälkas upp. Sedan utnyttjar växten de energirika elektronerna för att tillverka kolhydrater av koldioxid. Solenergin blir alltså till ved och annan biomassa. Ett smart sätt för växten att lagra energin.
Men i stället för kolhydrater vill forskarna alltså göra vätgas.

– Det konstgjorda systemet kan faktiskt bli effektivare än den naturliga fotosyntesen. Vi utnyttjar de viktigaste principerna i växternas reaktioner, och undviker de mindre effektiva delarna, säger Stenbjörn Styring.

Vi går på upptäcktsfärd i de kolmörka rummen i källaren. Kontrasten är stor mot de biologiska ljusrummen en trappa upp. Här nere undersöker man med hjälp av bland annat laser och elektronspinnresonansspektroskopi reaktionerna inne i molekyler som de tagit fram i laboratoriet. Laserljuset används i stället för vanligt solsken, för att forskarna bättre ska kunna kontrollera vad som händer just i det ögonblick ljuset fångas in.

Forskarna jobbar med ädelmetallen rutenium, som de vill koppla ihop med mangan och tyrosin. Svårigheten är att få molekylerna att samarbeta med varandra som hos växterna och avge elektroner på rätt ställe åt rätt håll. Hittills har forskarna lyckats föra över tre elektroner från mangankomplexet till rutenium. Ett komplett steg kräver fyra elektroner och dessutom lyckad kemi.

Lyckas man skapa konstgjord fotosyntes är det en världssensation och kan lägga grunden för ett framtida vätgassamhälle.

Kritikerna påpekar att vätgasen inte löser några miljöproblem. Men det är under förutsättning att den som i dag produceras från naturgas, olja och kol. Om råvarorna i stället är sol och vatten, så kan det inte bli renare och heller inte ta slut. Dessutom finns en annan maktaspekt på ett framtida vätgassamhälle.

– Om vätgasen fortsätter komma från naturgas som den gör i dag blir det inte så annorlunda, säger Stenbjörn Styring. Då kommer länder att kunna sätta press på varandra genom att stänga av naturgasen till exempel. Men om vätgasen görs av solenergi kan den produceras var som helst. Helt plötsligt behövs inte stora nätverk av transportapparater, energin blir decentraliserad och kommer kanske inte att vara en maktfråga längre.

Forskningen går framåt, även om det fortfarande är långt kvar till visionen. Ännu finns ingen prototyp, men när som helst kan det konstgjorda fotosyntesspåret ta ett kvantsprång framåt.
– Min vision är att kunna demonstrera det här i mikroskala innan jag går i pension. Sen går våra 25-åringar omkring härnere döfrustrerade för att de inte får lösa världens energiproblem just denna vecka. Men några av ungdomarna som är med i projektet nu kommer att vara med och ta fram den färdiga maskinen. Det är min dröm.