Professor Timothy Noël en collega's in de Flow Chemistry-groep van het Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences van de Universiteit van Amsterdam hebben een volledig operationele stand-alone mini-reactor op zonne-energie ontwikkeld die het potentieel biedt voor de productie van fijnchemicaliën op afgelegen locaties op aarde, en mogelijk zelfs op Mars. In een paper gepubliceerd door ChemSusChem , het team presenteert hun unieke, volledig off-grid fotochemiesysteem.

Het nieuwe systeem, die in staat is medicijnen en andere chemicaliën te synthetiseren in economisch relevante volumes, "schijnt in geïsoleerde omgevingen en maakt decentralisatie van de productie van fijnchemicaliën mogelijk, " volgens professor Noël. "De mini-plant is gebaseerd op het concept van fotochemie, zonlicht gebruiken om de chemische synthese direct 'aan te drijven'. We gebruiken een fotokatalysator, een chemische soort die de synthese aandrijft wanneer verlicht, Noël vervolgt. "Normaal gesproken worden krachtige LED's of andere verlichtingsapparatuur gebruikt voor de verlichting, maar we kiezen ervoor om zonlicht te gebruiken. Voor starters, dit maakt de synthese volledig duurzaam. Maar het maakt ook stand-alone gebruik op afgelegen locaties mogelijk. Onze droom is om ons systeem gebruikt te zien worden op een basis op de maan of op Mars, waar zelfvoorzienende systemen nodig zijn om energie te leveren, voedsel en medicijnen. Onze minifabriek zou hieraan kunnen bijdragen in een volledig autonoom, onafhankelijke manier."

Een door zonne-energie aangedreven stroomreactor

De ontwikkeling van de mini-installatie begon zo'n vijf jaar geleden toen de onderzoeksgroep Noël - destijds gevestigd aan de Technische Universiteit Eindhoven - een 'zonneconcentrator' ontwikkelde. Dit is in wezen een vel transparant plastic met kanalen ter grootte van een micrometer waarin de chemische synthese plaatsvindt. Door speciale kleurstoffen toe te voegen, de onderzoekers ontwikkelden het plastic tot een zonnegeleider en luminescerende convertor. Het vangt zonlicht op en stuurt het naar de kanalen, terwijl een substantieel deel van het licht wordt omgezet in rode fotonen die de chemische omzetting aansturen.

De volgende stap was om van de concentrator een volledig operationele flowreactor te maken. "Dit betekent dat we een reactiemengsel van uitgangsmaterialen en fotokatalysator door de zonverlichte kanalen pompen, " zegt Noël. "In deze kanalen vindt de gewenste chemische omzetting plaats zodat ze, in feite, ons alternatief voor de traditionele kolven of vaten voor chemische synthese." Noël legt uit dat hoewel de kanalen vrij klein zijn, zo'n "stroomreactor" kan behoorlijk relevante outputs produceren, aangezien deze continu werkt van zonsopgang tot zonsondergang. "Bovendien, " hij voegt toe, "het gebruik van kanalen zorgt voor een veel effectievere koppeling tussen licht en chemie dan mogelijk is bij het gebruik van traditionele kolfreactoren."

Maximale efficiëntie

De onderzoeksgroep Noël had het concept van de zonnestroomreactor al gedemonstreerd door een reeks medicinaal relevante moleculen te synthetiseren, zij het op laboratoriumschaal in een gecontroleerde omgeving. Nutsvoorzieningen, in hun recente paper in ChemSusChem , ze beschrijven hoe ze een levensvatbare, optimaal effectief autonoom fotosynthesesysteem en gebruikten het in veldtesten. Ze geven ook een kijk op aspecten als toepassingspotentieel en economische prestaties.

Het prototype zonnestroomreactor heeft nu een oppervlakte van ongeveer 0,25 vierkante meter. Om het volledig autonoom te maken, de onderzoekers rustten het uit met een zonnecel die de stroom levert voor hulpmiddelen zoals pompen en het regelsysteem. Deze zonnecel wordt achter de stromingsreactor geplaatst in een gestapelde opstelling die zorgt voor een maximaal rendement per vierkante centimeter, volgens Noël. "De meer energetische golflengten worden in de reactor gebruikt om de fotokatalysator aan te drijven. De resterende fotonen met golflengten van 600-1100 nm worden omgezet in elektriciteit om de hulpstoffen aan te drijven."

Wereldwijd toepassingspotentieel

Het volledig autonome prototype maakt ook gebruik van een responsief regelsysteem dat de chemische omzetting bij verschillende lichtintensiteiten kan optimaliseren. "Als een wolk de zon bedekt, zou de chemische omzetting normaal gesproken zeer snel afnemen, " zegt Noël. "Ons systeem is in staat om realtime de nodige aanpassingen door te voeren. Veldtesten bevestigden dat het in staat is om met een constante snelheid chemicaliën te produceren, zelfs op dagen met een mix van zonnig en bewolkt." De tests zijn uitgevoerd in Nederland. Om een ​​indruk te krijgen van de wereldwijde inzetmogelijkheden, vergelijkingen werden gemaakt met behulp van zonnegegevens op locaties in Noorwegen (Noordkaap), Spanje (Almeria) en Australië (Townsville). Noël:"Zelfs op de Noordkaap, met relatief weinig zonnekracht, we schatten bevredigende productiecijfers."

De onderzoekers vergeleken ook de prestaties van het prototypesysteem met productiecijfers voor de bekende fotochemische synthese van rozenoxide. Dit product voor de parfumindustrie wordt industrieel geproduceerd met fotochemische middelen omdat het schoner en efficiënter is dan traditionele chemische synthese. De onderzoekers berekenden dat hun systeem een ​​verrassend klein oppervlak nodig zou hebben om aan de huidige jaarlijkse vraag te voldoen - slechts 150 m ² zou volstaan. Noël:"Dat is maar één fabrieksdak vol met onze mini-plantjes! De systeemkosten zouden vergelijkbaar zijn met de huidige commerciële fotosynthesesystemen. Maar we hebben alleen zonne-energie nodig, dus er zijn geen energie-uitgaven. Dus dit zou echt een duurzame strategie voor de toekomst kunnen zijn productie van chemicaliën zoals rozenoxide of geneesmiddelen."

Laat de muren chemicaliën maken

Noël is van mening dat het onderzoek van zijn groep elke scepsis over het potentieel van chemische technologie op zonne-energie weerlegt:"We laten zien dat er zelfs hier in Nederland mogelijkheden zijn voor door zonne-energie aangedreven chemische productie. Je hoeft niet naar Qatar!" Bovendien, het systeem leent zich voor toepassing op onverwachte locaties. "Je zou zelfs de gevel van een gebouw kunnen bedekken. Natuurlijk is het rendement dan kleiner dan wanneer het systeem in een optimale hoek ten opzichte van de zon wordt geplaatst. Maar het is zeker mogelijk - en hoe gaaf zou het zijn om de muren Chemicaliën!"