Onderzoekers hebben drijvende "kunstmatige bladeren" ontwikkeld die schone brandstoffen genereren uit zonlicht en water, en uiteindelijk op grote schaal op zee kunnen werken.

De onderzoekers van de Universiteit van Cambridge ontwierpen ultradunne, flexibele apparaten, die geïnspireerd zijn op fotosynthese, het proces waarbij planten zonlicht omzetten in voedsel. Omdat de goedkope, autonome apparaten licht genoeg zijn om te drijven, kunnen ze worden gebruikt om een ​​duurzaam alternatief voor benzine te genereren zonder ruimte op het land in te nemen.

Buitentests van de lichtgewicht bladeren op de River Cam, in de buurt van iconische locaties in Cambridge, waaronder de Bridge of Sighs, de Wren Library en King's College Chapel, hebben aangetoond dat ze zonlicht net zo efficiënt in brandstoffen kunnen omzetten als bladeren van planten.

Dit is de eerste keer dat schone brandstof is gegenereerd op water, en als ze worden opgeschaald, kunnen de kunstmatige bladeren worden gebruikt op vervuilde waterwegen, in havens of zelfs op zee, en kunnen ze de afhankelijkheid van de wereldwijde scheepvaartindustrie van fossiele brandstoffen helpen verminderen. De resultaten worden gerapporteerd in het tijdschrift Nature .

Terwijl technologieën voor hernieuwbare energie, zoals wind- en zonne-energie, de afgelopen jaren aanzienlijk goedkoper en meer beschikbaar zijn geworden, is decarbonisatie voor industrieën zoals de scheepvaart een veel grotere opgave. Ongeveer 80% van de wereldhandel wordt vervoerd door vrachtschepen die worden aangedreven door fossiele brandstoffen, maar de sector heeft opmerkelijk weinig aandacht gekregen in discussies over de klimaatcrisis.

De onderzoeksgroep van professor Erwin Reisner in Cambridge werkt al enkele jaren aan het aanpakken van dit probleem door duurzame oplossingen voor benzine te ontwikkelen die gebaseerd zijn op de principes van fotosynthese. In 2019 ontwikkelden ze een kunstmatig blad, dat syngas - een belangrijk tussenproduct bij de productie van veel chemicaliën en farmaceutica - maakt uit zonlicht, koolstofdioxide en water.

Het eerdere prototype genereerde brandstof door twee lichtabsorbers te combineren met geschikte katalysatoren. Het bevatte echter dikke glassubstraten en vochtbeschermende coatings, waardoor het apparaat omvangrijk werd.

"Kunstmatige bladeren kunnen de kosten van duurzame brandstofproductie aanzienlijk verlagen, maar omdat ze zowel zwaar als kwetsbaar zijn, zijn ze moeilijk op schaal en transport te produceren", zei Dr. Virgil Andrei van het Yusuf Hamied Department of Chemistry van Cambridge, de paper's co-hoofdauteur.

"We wilden zien in hoeverre we de materialen die deze apparaten gebruiken kunnen verminderen, zonder hun prestaties te beïnvloeden", zegt Reisner, die het onderzoek leidde. "Als we de materialen ver genoeg kunnen inkorten zodat ze licht genoeg zijn om te drijven, dan opent dit hele nieuwe manieren waarop deze kunstmatige bladeren kunnen worden gebruikt."

Voor de nieuwe versie van het kunstmatige blad lieten de onderzoekers zich inspireren door de elektronica-industrie, waar miniaturisatietechnieken hebben geleid tot de creatie van smartphones en flexibele displays, wat een revolutie teweegbracht in het veld.

De uitdaging voor de Cambridge-onderzoekers was hoe ze lichtabsorberende stoffen op lichtgewicht substraten konden deponeren en deze konden beschermen tegen waterinfiltratie. Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, gebruikt het team dunne-film metaaloxiden en materialen die bekend staan ​​als perovskieten, die kunnen worden gecoat op flexibel plastic en metaalfolies. De apparaten waren bedekt met micrometer dunne, waterafstotende lagen op koolstofbasis die vochtafbraak voorkomen. Ze eindigden met een apparaat dat niet alleen werkt, maar er ook uitziet als een echt blad.

"Deze studie toont aan dat kunstmatige bladeren compatibel zijn met moderne fabricagetechnieken, wat een vroege stap is in de richting van de automatisering en opschaling van de productie van zonnebrandstof", zegt Andrei. "Deze bladeren combineren de voordelen van de meeste zonnebrandstoftechnologieën, omdat ze het lage gewicht van poedersuspensies en de hoge prestaties van bedrade systemen bereiken."

Tests van de nieuwe kunstmatige bladeren hebben aangetoond dat ze water kunnen splitsen in waterstof en zuurstof, of CO₂ kunnen verminderen naar syngas. Hoewel aanvullende verbeteringen nodig zijn voordat ze klaar zijn voor commerciële toepassingen, zeggen de onderzoekers dat deze ontwikkeling hele nieuwe wegen opent in hun werk.

"Zonneparken zijn populair geworden voor elektriciteitsproductie; we hebben vergelijkbare boerderijen voor de synthese van brandstof", zegt Andrei. "Deze kunnen kustnederzettingen, afgelegen eilanden bevoorraden, industriële vijvers bedekken of waterverdamping uit irrigatiekanalen voorkomen."

"Veel technologieën voor hernieuwbare energie, waaronder zonnebrandstoftechnologieën, kunnen grote hoeveelheden ruimte op het land innemen, dus het verplaatsen van de productie naar open water zou betekenen dat schone energie en landgebruik niet met elkaar concurreren", zegt Reisner. "In theorie zou je deze apparaten kunnen oprollen en ze bijna overal, in bijna elk land kunnen plaatsen, wat ook zou helpen bij de energiezekerheid." + Verder verkennen

Aardrijke zonnepixels blijken wekenlang waterstof te produceren