Sol och vatten framtidens energikälla

Forskningen syftar till att efterlikna delar av den naturliga fotosyntesen genom att på konstgjord väg producera vätgas med hjälp av solljus och vatten via fotokemi. Vätgas kan användas inom hela energisektorn, som drivmedel, eller till uppvärmning och elproduktion.

Ingen koldioxid

– Vätgas är ett framtidsbränsle, jag är övertygad om att vi har ett vätgassamhälle här om 15–20 år, säger Stenbjörn Styring, professor i biokemi vid Lunds universitet och samordnare av projektet.

Det fina med att utvinna vätgas ur just sol och vatten är att det inte bildas någon koldioxid under processen, vilket sker när vätgas utvinns ur exempelvis naturgas. Dessutom blir vätgas återigen vatten vid förbränning och cirkeln sluts. Genom att hitta ett kostnadseffektivt sätt att göra vätgas av sol och vatten skulle människans energiförsörjning kunna vara löst för all framtid.

Forskningsläget

Men bara genom att ha stor kunskap om de naturliga kemiska processerna kan ett konstgjort system för att utvinna energi bli möjlighet. Ett viktigt steg är att studera nyckelreaktioner i den naturliga fotosyntesen.

– Det finns två nyckelreaktioner i den naturliga fotosyntesen som vi försöker härma och det är svårt. Hittills har 17 doktorander doktorerat i ämnet och ännu är vi inte framme även om vi kommit en bit på väg, konstaterar Stenbjörn Styring.

Fotosystem II

En av nyckelreaktionerna i fotosyntesen katalyseras av ett fotosyntetiskt enzym som kallas för fotosystem II. Enzymet finns i växter och alger och kan liknas vid en liten soldriven elektrisk generator som spjälkar vanligt vatten och sönderdelar det till syrgas och vätejoner. De elektroner som frigörs i processen används av växterna för att bilda energirika och värdefulla produkter, bland annat den mat vi äter och de föreningar som vi använder som biobränsle. Fotosystem II gör detta genom i en serie komplicerade reaktioner som drivs av solenergi. Enzymet innehåller den enda kända kemiska katalysatorn för sönderdelning av vatten och därför är det viktigt att förstå hur den fungerar för att kunna skapa ett konstgjort system.

Rutenium ersätter klorofyll

I stället för att använda klorofyll är den artificiella fotosyntesen baserad på kemiska förändringar i ädelmetallen rutenium. Metallen har egenskaper som liknar den klorofyll som finns i fotosystem II. Rutenium kopplas sedan samman med ett mangankomplex och på så sätt försöker man skapa en konstgjord supermolekyl som kan spjälka vatten för att skapa energi, precis som i fotosystem II. Även aminosyran tyrosin har en central roll.

Vätgasbakterier

Men det räcker inte med ta reda på hur fotosystem II fungerar. Det gäller också att ta reda på hur man kan lagra ljusenergin genom att skapa vätgas. Även här tar man hjälp av naturen. Delar av forskargruppen arbetar med att studera enzymer som kallas för hydraenaser som finns i blågröna alger. Det är en enzym som kan bilda vätgas med hjälp av energi från solen. Dock är verkningsgasen mycket låg, men genom att modifiera organismens arvsanlag försöker man förbättra deras förmåga att producera vätgas. Tanken är dels att lära sig hur enzymerna gör för att producera vätgas för att koppla ihop den processen med den artificiella fotosyntesen, dels att algerna på egen hand ska kunna användas som en vätgas producent.

På hustak

Den färdiga apparat som kommer att kunna skapa vätgas genom sol och vatten kommer troligtvis att se ut ungefär som ett tunt akvarie där vatten är utgångspunkten. Ena halvan av apparaten tar upp energi från solen och andra halvan gör vätgas av energin. Panelen skulle exempelvis kunna ligga på hustak och sitta på väggar och på så sätt försörja husen med el och värme. Den maximala verkningsgraden för att producera vätgas med artificiell fotosyntes tros kunna bli cirka 15 procent om man lyckas. Det innebär att taket på en enplansvilla som täcks med en solpaneler skulle kunna försörja hela villan med energi året om.

– Många hoppas på ett vätgassamhälle. Amerikanarna satsar 1,8 miljarder dollar på forskning med förhoppningen att de amerikaner som föds i dag ska köra vätgasbilar när de tar körkort. Även i Japan satsas det stort på forskning. Oavsett om vår teknik eller någon annan blir den dominerande finns starka drivkrafter för att satsa på vätgas.

Fakta Konsortiet för artificiell fotosyntes

Konsortiet bildades 1993 och består av fem forskargrupper vid tre universitet. Stenbjörn Styrings biokemiska fotosyntesgrupp i Lund, Leif Hammarströms fysikaliska-kemiska grupp och Peter Lindblads molykylärbiologiska grupp i Uppsala, Björn Åkermarks och Licheng Suns synteskemigrupp i Stockholm samt Villy Sundströms grupp för femtokemi i Lund. Totalt består forskargruppen av ett 30-tal personer.