Kan artificiell fotosyntes låsa upp väteekonomin?

Ersätta naturlig fotosyntes

Direkt eller indirekt har en enorm del av den energi vi använder producerats genom fotosyntes. Detta gäller naturligtvis kalorierna som driver våra kroppar, men i slutändan även fossila bränslen, som bara är “lagrad” fotosyntes från växter som dog för evigheter sedan.

So, många ansträngningar har ägnats åt att antingen förbättra naturlig fotosyntes eller utnyttja den för nya användningsområden, som att skapa biobränslen från alger. Bygga det i skala kan visa sig avgörande för att begränsa den ökande CO2‑koncentrationen i atmosfären.

Men vad om vi kunde efterlikna fotosyntesprocessen utan att behöva hantera levande organismer? Det är trots allt en elektrokemisk process som inte nödvändigtvis kräver levande celler för att ske. Detta är löftet med den så kallade “artificiella fotosyntesen”.

Det skulle höja vår förmåga att fånga solens energi ett steg över fotovoltaik, som bara kan skapa elektricitet från solljus men inte direkt påverka kemiska reaktioner.

Tre forskare vid Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) och University of Tokyo kan ha fört denna teknik ett steg närmare verkligheten. I en artikel publicerad i Chemical Communications under titeln “Bioinspired hydrogels: polymeric designs towards artificial photosynthesis¹”.

Hur fungerar fotosyntes?

I växter är fotosyntes, grovt sagt, processen att ta upp CO2 och vatten, använda ljus som energikälla och producera kolhydrater och syre.

Källa: Britannica

Det sagt, verkar det som att detta kan reduceras till en mycket enkel kemisk ekvation och lätt replikeras artificiellt.

Källa: Britannica

Det är en annan historia när man ser på hur det görs. Växtfotosyntes är faktiskt en av de mest komplexa biokemiska maskinerierna, med dussintals mellanreaktioner, en myriad av underkomponenter och ibland inte så välförstådda molekylära mekanismer som involverar invecklade elektronrörelser.

Den syntetiska förklaringen av detta ämne i Britannica‑encyklopedin är inte mindre än 10 000 ord. Forskare som studerar det måste hantera ganska mer komplexa scheman för att börja få en översikt över fotosyntesen:

Källa: Lumen Learning

Även om fotosyntes främst används i naturen för att skapa kolhydrater, kan den i teorin användas för många andra tillämpningar som utnyttjar ljus som energikälla, till exempel syntes av väte från vatten (fotokatalys).

Bioinspirerade hydrogeler för vätgasproduktion

Eftersom ett av stegen i naturlig fotosyntes är spjälkningen av vatten till syre och 2H⁺‑atomer, verkar det som att replikera bara detta steg skulle vara enklare än att försöka efterlikna hela processen. Detta är vad de japanska forskarna har arbetat med, med hjälp av hydrogeler.

Källa: Chemical Communications

De använde funktionella molekyler, såsom rutheniumkomplex och platina nanopartiklar, som samverkar för att simulera den naturliga fotosyntesprocessen och är kända som kraftfulla fotokatalysatorer. Innovationen ligger i hur de organiserade dessa partiklar:

“Det som är unikt här är hur molekylerna är organiserade inom hydrogelen. Genom att skapa en strukturerad miljö har vi gjort energiomvandlingsprocessen mycket mer effektiv.”

Reina Hagiwara – PhD‑student vid JAIST

Källa: Chemical Communications

Förbättrad effektivitet

En annan viktig förbättring med att använda hydrogel jämfört med tidigare metoder är att den hindrar de metalliska partiklarna från att klumpa ihop sig, vilket vanligtvis minskar processens effektivitet.

“Den största utmaningen var att lista ut hur man arrangerade dessa molekyler så att de kunde överföra elektroner smidigt. Genom att använda ett polymernätverk kunde vi förhindra att de klumpade ihop sig, vilket är ett vanligt problem i syntetiska fotosyntessystem.”

Kosuke Okeyoshi – docent vid JAIST

Resultatet blev en mycket mer effektiv fotokatalys, som producerade mer väte än äldre tekniker.

Källa: Chemical Communications

Ljusfångande gel

En annan faktor i den förbättrade effektiviteten är att gelen i princip fångar ljuset, vilket ökar chansen att driva den önskade kemiska reaktionen.

Den noggranna utformningen av mikrogelén optimerades för att skapa diametrar mindre än våglängden för synligt ljus. Detta möjliggjorde också att integrera de mikroskopiska platina- och rutheniumpartiklarna i gelen i ett organiserat nät.

Källa: Chemical Communications

Nyckeln till vätrevolutionen?

Väte, eller ammoniak framställt från väte, har länge betraktats som ett potentiellt idealiskt bränsle för att driva världen med grön energi.

Genom att vara i en kemisk form istället för elektrisk kan väte lagra grön energi under en mycket längre period och vara ett bättre ersättningsalternativ till fossila bränslen än batterier i nyckeltillämpningar som sjöfart eller tung industri.

Problemet är att produktionen av väte genom elektrolys är en mycket energikrävande process och dessutom ganska ineffektiv. Detta leder till att största delen av den gröna energin som används för att producera väte går förlorad, vilket skadar idéns ekonomi.

Detta effektivitetsproblem för grönt väte beror i grunden på att det nuvarande konceptet kräver för många steg: ljus → likström → elektrolys → vätgengenerering. Varje extra steg minskar effektiviteten och kostar extra kapital & resurser för den involverade utrustningen.

Det blir ännu värre om likströmmen måste omvandlas till växelström och transporteras via elnätet från solparker till vätgessyntesplatsen.

Direkt fotokatalys skulle omvandla det till “ljus → vätgengenerering” utan några mellansteg.

Nästa steg

Bättre polymerer

Denna publikation visar att ett noggrant organiserat nätverk av fotokatalytiska partiklar kan vara en spelväxlare i vätgasproduktion. Hydrogelen som används här kan bara vara ett första steg.

Forskarna förväntar sig att mer avancerade polymernätverk kommer att designas. Detta kan inkludera att fästa de katalytiska komponenterna inte bara som små partiklar utan som långa, tunna molekylkedjor, vilket ökar kontaktytan och ljusfångandet. Framtida användning av naturliga supramolekyler, såsom tubulin/mikrotubuli, är också möjlig.

Mer än väte

Studien fokuserade på vätgengenerering, men detta är långt ifrån den enda kemiska reaktionen som kan katalyseras av solljus.

Till exempel har japanska forskare i Osaka hittat ett sätt att generera fumarinsyra från bikarbonat och biomassa‑härledd pyruvsyra, genom att använda en annan form av artificiell fotosyntes.

Bortom platina

Många av vätgengenereringsmetoderna förlitar sig på att spjälka vattenmolekyler med platina eller andra sällsynta metaller i samma familj som ruthenium. Och detta kan vara ett av argumenten för att investera i platina, förutom hybridfordons ökande popularitet.

Samtidigt har platinas höga kostnad uppmuntrat forskare att hitta alternativ som är mer kostnadseffektiva.

Du kan läsa några exempel i Hydrogen Production Advancements with Nickel Based Electrolysis” och “Generating Hydrogen by Splitting Water with Embedded Swarf”.

Kanske kan dessa framsteg i alternativ till platina kombineras med den hydrogel och fotokatalys som diskuteras ovan, för att skapa en mycket lågkostnadsmetod för vätgasproduktion som endast använder billig metall, polymerer och solljus.

Investera i artificiell fotosyntes & väte

Artificiell fotosyntes är för närvarande ett starkt utvecklingsinriktat experimentellt område. Potentialen för väteekonomin är dock tillräckligt stor för att få många företag att förbereda sig för att investera i möjligheten.

Eftersom många vätgaserieringsmetoder förlitar sig på platina, kan detta vara ett alternativ: Det är faktiskt möjligt att köpa platina direkt för investering i fysisk metallform, där de flesta säljare av ädelmetallbullion erbjuder mynt och metallstänger av platina. Platinsmycken är också ett alternativ.

Handlad fysisk platinalager kan också nås via abrdn Physical Platinum Shares ETF (PPLT) och GraniteShares Platinum Trust (PLTM).

Du kan investera i väte‑relaterade företag via många mäklare, och du kan här, på securities.io, hitta våra rekommendationer för de bästa mäklarna i USA, Kanada, Australien, och Storbritannien, såväl som många andra länder.

Om du inte är intresserad av att välja specifika väte‑relaterade företag, kan du även titta på ETF:er som VanEck Rare Earth and Strategic Metals ETF (REMX) för platinasidan, eller väte‑fokuserade ETF:er som Global X Hydrogen ETF (HGEN) eller VanEck Hydrogen Economy UCITS (HDRO) som ger en mer diversifierad exponering för att kapitalisera på väte som energikälla.

Väteföretag

BLDP Prisdiagram

Ballard är en tillverkare av bränsleceller och en pionjär inom teknologin med sin första bränslecellbuss år 1993.

Företaget fokuserar på tunga marknader: bussar, lastbilar, tåg/spårvagnar, fartyg, gruv‑/byggsektorn och kraft. Medan bussar har varit kärnan i verksamheten förväntar sig företaget att lastbilar år 2025 kommer bli en viktig affärssegment. Det förväntar sig också att Europa förblir huvudmarknad (50‑60 %), följt av Nordamerika (25 %).

Bränslecellslastbilar förväntas fortsätta växa och utgöra en marknad på 7,5  miljarder dollar år 2030 (från en total adressbar marknad på 195  miljarder dollar), nästan lika stor som alla andra väte‑/bränslecellstillämpningar sammanslagna.

Källa: Ballard

På grund av den högre kraften som krävs och behovet av snabb laddning har tunga fordon varit ett bra val för väte och bränsleceller jämfört med lättare fordon som bilar.

Det minskar också behovet av kontaktlinor för järnväg och snabb laddning för långdistanstransport.

Källa: Ballard

Företaget är inte främmande för ammoniak heller, med till exempel ett nyligt avtal med Amogy för att förse dem med bränsleceller för deras “ammoniak‑till‑kraft‑plattform som förlitar sig på unik ammoniak‑klyvningsteknologi”.

Medan elbilar har en rimlig chans att snabbt ta över bilmarknaden är tyngre fordon svårare att avkarbonisera.

Med sitt etablerade ledarskap i sektorn skulle Ballard vara en primär fördelaktig mottagare av en politisk satsning mot en väteekonomi.

Fokus på bränsleceller gör också att företaget kan dra nytta av alla kostnadsbesparingar i vätgengenereringsteknik, oavsett metod, med eller utan platina, och med eller utan fotokatalys.

Studierreferens:

^{1. Hagiwara, R., Yoshida, R., & Okeyoshi, K. (2024). Bioinspired hydrogels: polymeric designs towards artificial photosynthesis. Chemical Communications, 60, 13314–13324. https://doi.org/10.1039/D4CC04033C}