Kan kunstig fotosyntese låse opp hydrogenøkonomien?

Erstatning av naturlig fotosyntese

Directly or indirectly, a massive amount of the energy we use has been produced through photosynthesis. This is of course true of the calories powering our bodies, but ultimately also of fossil fuels, which are just “stored” photosynthesis from plants that died eons ago.

So, mange innsatsområder har blitt viet til enten å forbedre naturlig fotosyntese eller utnytte den for nye bruksområder, som å lage biobrensel fra alger. Å bygge det i stor skala kan vise seg avgjørende for å begrense den økende CO₂‑konsentrasjonen i atmosfæren.

Men hva om vi kunne etterligne fotosynteseprosessen uten å måtte håndtere levende organismer? Det er tross alt en elektrokjemisk prosess som ikke nødvendigvis krever levende celler for å foregå. Dette er løftet med såkalt «kunstig fotosyntese».

Det ville løfte vår evne til å fange solens energi ett steg over fotovoltaikk, som kun kan lage elektrisitet fra sollys, men ikke påvirke kjemiske reaksjoner direkte.

Tre forskere ved Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) og Universitetet i Tokyo kan ha brakt denne teknologien ett steg nærmere virkeligheten. I en artikkel publisert i Chemical Communications med tittelen “Bioinspirerte hydrogel: polymerdesign mot kunstig fotosyntese¹”.

Hvordan fungerer fotosyntese?

Hos planter er fotosyntese, grovt sett, prosessen der CO₂ og vann tas opp, lys brukes som energikilde, og karbohydrater og oksygen produseres.

Kilde: Britannica

Det sagt, ser det ut til at dette kan reduseres til en svært enkel kjemisk ligning og lett replikeres kunstig.

Kilde: Britannica

Det er en annen historie når man ser på hvordan det gjøres. Plantens fotosyntese er faktisk en av de mest komplekse biokjemiske maskinene, med dusinvis av mellomliggende reaksjoner, et mylder av underkomponenter, og noen ganger ikke så godt forståtte molekylære mekanismer som involverer omfattende elektronbevegelser.

Den syntetiske forklaringen av dette temaet i Britannica-encyklopedien er ikke mindre enn 10 000 ord. Forskere som studerer det må håndtere ganske komplekse skjemaer for å få en oversikt over fotosyntesen:

Kilde: Lumen Learning

Selv om fotosyntese hovedsakelig brukes i naturen til å lage karbohydrater, kan den i teorien brukes til mange andre anvendelser som benytter lys som energikilde, for eksempel syntese av hydrogen fra vann (fotokatalyse).

Bioinspirerte hydrogel for hydrogenproduksjon

Ettersom ett av trinnene i naturlig fotosyntese er spaltning av vann til oksygen og 2H⁺‑atomer, ser det ut til at det å replikere kun dette trinnet ville være enklere enn å forsøke å etterligne hele prosessen. Dette er hva de japanske forskerne har arbeidet med, ved bruk av hydrogel.

Kilde: Chemical Communications

De brukte funksjonelle molekyler, som rutheniummolekyler og platina‑nanopartikler, som samarbeider for å simulere den naturlige fotosynteseprosessen og er kjent som kraftige fotokatalysatorer. Innovasjonen ligger i hvordan de organiserte disse partiklene:

“Det som er unikt her er hvordan molekylene er organisert innenfor hydrogel. Ved å skape et strukturert miljø har vi gjort energikonverteringsprosessen mye mer effektiv.”

Reina Hagiwara – PhD‑student ved JAIST

Kilde: Chemical Communications

Forbedret effektivitet

En annen viktig forbedring ved bruk av hydrogel sammenlignet med tidligere metoder er at den hindrer de metalliske partiklene i å klumpe seg sammen, noe som vanligvis reduserer prosessens effektivitet.

“Den største utfordringen var å finne ut hvordan vi skulle arrangere disse molekylene slik at de kunne overføre elektroner jevnt. Ved å bruke et polymernettverk klarte vi å hindre dem i å klumpe seg sammen, noe som er et vanlig problem i syntetiske fotosyntesesystemer.”

Kosuke Okeyoshi – førsteamanuensis ved JAIST

Resultatet ble en mye mer effektiv fotokatalyse, som produserte mer hydrogen enn eldre teknikker.

Kilde: Chemical Communications

Lysfangende gel

En annen faktor i den forbedrede effektiviteten er at gelen i hovedsak fanger lyset, og øker sjansen for å drive den ønskede kjemiske reaksjonen.

Den nøye utformingen av mikrogel ble optimalisert for å skape diametre mindre enn bølgelengden til synlig lys. Dette tillot også å integrere de mikroskopiske platina‑ og rutheniummolekylene i gelen i et organisert nett.

Kilde: Chemical Communications

Nøkkelen til hydrogenrevolusjonen?

Hydrogen, eller ammoniakk laget fra hydrogen, har lenge blitt ansett som et potensielt ideelt drivstoff for å forsyne verden med grønn energi.

Ved å være i en kjemisk form i stedet for elektrisk, kan hydrogen lagre grønn energi over en mye lengre periode og være et bedre alternativ til fossilt drivstoff enn batterier i viktige anvendelser som skipsfart eller tungindustri.

Problemet er at produksjon av hydrogen gjennom elektrolyse er en svært energikrevende prosess og også ganske ineffektiv. Dette fører til at mesteparten av den grønne energien som brukes til å produsere hydrogen går tapt, noe som skader økonomien i ideen.

Dette effektivitetsproblemet med grønt hydrogen skyldes i hovedsak at det nåværende konseptet krever for mange trinn: lys → likestrøm → elektrolyse → hydrogenproduksjon. Hvert ekstra trinn reduserer effektiviteten og krever ekstra kapital og ressurser for maskinvaren som er involvert.

Dette blir enda verre hvis likestrømmen må omdannes til vekselstrøm og transporteres via nettet fra solparker til stedet for hydrogenproduksjon.

Direkte fotokatalyse ville gjøre det til «lys → hydrogenproduksjon» uten mellomliggende trinn.

Neste steg

Bedre polymerer

Denne publikasjonen viser at et nøye organisert nettverk av fotokatalytiske partikler kan være en spillveksler i hydrogenproduksjon. Hydrogelet som brukes her kan bare være et første steg.

Forskerne forventer at mer avanserte polymernettverk vil bli designet. Dette kan inkludere å feste de katalytiske komponentene ikke bare som små partikler, men som lange, tynne molekylkjeder, noe som øker kontaktoverflaten og lysfangst. Fremtidig bruk av naturlige supramolekyler, som tubulin/mikrotubuli, er også mulig.

Mer enn hydrogen

Studien fokuserte på hydrogenproduksjon, men dette er langt fra den eneste kjemiske reaksjonen som kan katalyseres av sollys.

For eksempel har japanske forskere ved Osaka funnet en måte å generere fumarinsyre fra bikarbonat og biomasse‑avledet pyruvinsyre, ved å bruke en annen form for kunstig fotosyntese.

Utover platina

Mange av hydrogenproduksjonsmetodene er avhengige av å spalte vannmolekyler ved hjelp av platina eller andre sjeldne metaller i samme familie som ruthenium. Og dette kan være et av argumentene for å investere i platina, i tillegg til hybridbilers økende popularitet.

Samtidig har den høye kostnaden for platina oppmuntret forskere til å finne mer kostnadseffektive alternativer.

Du kan lese noen eksempler i Hydrogen Production Advancements with Nickel Based Electrolysis” og “Generating Hydrogen by Splitting Water with Embedded Swarf”.

Kanskje disse fremskrittene i alternativer til platina kan kombineres med hydrogelet og fotokatalysen som er diskutert ovenfor, for å skape en svært lavkostnads hydrogenproduksjonsmetode som kun bruker billig metall, polymerer og sollys.

Investering i kunstig fotosyntese & hydrogen

Kunstig fotosyntese er foreløpig et sterkt utviklende eksperimentelt felt. Imidlertid er potensialet i hydrogenøkonomien stort nok til at mange selskaper er klare til å investere i muligheten.

Ettersom mange hydrogenproduksjonsmetoder er avhengige av platina, kan dette være et alternativ: Det er faktisk mulig å kjøpe platina direkte for investering i fysisk metallform, med de fleste selgere av edle metaller som tilbyr mynter og metallstenger av platina. Platinasmykker er også en mulighet.

Handlet fysisk platina kan også nås via abrdn Physical Platinum Shares ETF (PPLT) og GraniteShares Platinum Trust (PLTM).

Du kan investere i hydrogenrelaterte selskaper gjennom mange meglere, og du kan finne her, på securities.io, våre anbefalinger for de beste meglerne i USA, Canada, Australia, og UK, så vel som mange andre land.

Hvis du ikke er interessert i å velge spesifikke hydrogenrelaterte selskaper, kan du også se på ETF-er som VanEck Rare Earth and Strategic Metals ETF (REMX) for platinaaspektet, eller hydrogen‑fokuserte ETF-er som Global X Hydrogen ETF (HGEN) eller VanEck Hydrogen Economy UCITS (HDRO) som vil gi en mer diversifisert eksponering for å utnytte potensialet i hydrogen som energikilde.

Hydrogen-selskap

BLDP Prisdiagram

Ballard er en produsent av brenselceller, og en pioner innen teknologien med sin første brenselcellebuss i 1993.

Selskapet fokuserer på tungtgående markeder: busser, lastebiler, tog/trikker, skip, gruvedrift/konstruksjon og kraft. Mens busser har vært kjernen i virksomheten, forventer selskapet at lastebiler innen 2025 vil bli et viktig forretningssegment. Det forventer også at Europa vil forbli hovedmarkedet (50‑60 %), etterfulgt av Nord‑America (25 %).

Brenselceller for lastebiltransport forventes å fortsette å vokse og representere et marked på 7,5 milliarder dollar i 2030 (fra et totalt adresserbart marked på 195 milliarder dollar), nesten like stort som alle andre hydrogen‑/brenselcelle‑applikasjoner kombinert.

Kilde: Ballard

På grunn av den høyere kraften som kreves og behovet for rask lading, har tungtgående kjøretøy vært et godt valg for hydrogen og brenselceller sammenlignet med lettere kjøretøy som biler.

Det reduserer også behovet for kontaktledninger på jernbane og rask lading for langdistansetransport.

Kilde: Ballard

Selskapet er heller ikke ukjent med ammoniakk, med for eksempel en nylig kontrakt med Amogy for å levere brenselceller til deres «ammoniakk‑til‑kraft‑plattform som baserer seg på unik ammoniakk‑spaltingsteknologi».

Mens elbiler har en rimelig sjanse til raskt å ta over bilmarkedet, er tyngre kjøretøy vanskeligere å dekarbonisere.

Med sin etablerte ledelse i sektoren vil Ballard være en hovedfordelaktig mottaker av en politisk satsing mot en hydrogenøkonomi.

Fokuset på brenselceller gjør også at selskapet kan dra nytte av enhver kostnadsreduksjon i hydrogenproduksjonsteknologi, uansett metode, med eller uten platina, og med eller uten fotokatalyse.

Studierreferanse:

^{1. Hagiwara, R., Yoshida, R., & Okeyoshi, K. (2024). Bioinspirerte hydrogel: polymerdesign mot kunstig fotosyntese. Chemical Communications, 60, 13314–13324. https://doi.org/10.1039/D4CC04033C}