Enhed producerer rent vand og rent brændstof samtidig

Forskere har udviklet en flydende, solcelledrevet anordning, som kan omdanne forurenet vand eller saltvand til rent brintbrændstof og renset vand, hvor som helst i verden. Det er lyder næsten for godt til at være sandt, men det er ikke desto mindre en realitet og resultatet af forskning på University of Cambridge.

Innovation i vandrensning og brændstofproduktion

Anordningen, udviklet af forskere ved University of Cambridge, kan være nyttig i ressourcebegrænsede eller off-grid miljøer, da den fungerer med enhver åben vandkilde og ikke kræver ydre strøm.

Den tager inspiration fra fotosyntesen, processen, hvor planter omdanner sollys til føde. Men i modsætning til tidligere versioner af ‘det kunstige blad’, som kunne producere grønt brintbrændstof fra rene vandkilder, fungerer denne nye anordning med forurenet eller saltvand og kan samtidig producere rent drikkevand.

Grøn energi via fotosyntese

Fotosyntese er den proces, hvor planter, alger og visse bakterier omdanner sollys, kuldioxid og vand til glukose og ilt. Processen er afgørende for livet på Jorden, da den producerer det meste af iltet i atmosfæren og er grundlaget for næsten al energi, der bruges af levende organismer. Fotosyntese foregår i to hovedtrin: lysreaktioner og Calvin-cyklussen. I lysreaktionerne omdannes solenergi til kemisk energi i form af ATP og NADPH, mens Calvin-cyklussen bruger denne energi til at omdanne kuldioxid til glukose.

Den solcelledrevne enhed udviklet af forskerne ved University of Cambridge efterligner en del af denne proces. Ligesom fotosyntese bruger enheden sollys til at drive en kemisk reaktion. I stedet for at omdanne kuldioxid til glukose omdanner denne enhed forurenet vand eller saltvand til rent brintbrændstof og renset vand. Denne proces kaldes fotokatalytisk vandsplitning og er en form for kunstig fotosyntese. I naturen bruger planterne sollys til at spalte vandmolekyler som en del af fotosyntesen, hvilket frigør ilt. På samme måde bruger denne enhed sollys til at spalte vandmolekyler, men i stedet for at producere glukose, producerer den rent brintbrændstof.

Det revolutionerende ved denne enhed er dens evne til at fungere effektivt med forurenet eller saltvand, hvilket udvider dens anvendelighed i forskellige miljøer, især i områder, hvor rent vand er en knap ressource. Dette er et skridt videre end tidligere teknologier, som typisk krævede rene vandkilder til at producere brintbrændstof. Denne tilgang, hvor man bruger tilgængelige naturressourcer (som sollys og ikke-ideelt vand) til at skabe værdifulde ressourcer (som rent vand og brændstof), spejler den måde, hvorpå naturens fotosyntese udnytter sollys til at understøtte livet på Jorden.

Test af anordningen viste, at den kunne producere rent vand fra stærkt forurenet vand, saltvand og endda fra floden Cam i central Cambridge. Resultaterne er rapporteret i tidsskriftet Nature Water.

Tekniske udfordringer og løsninger

“Det er udfordrende at kombinere produktion af solbrændstof og vandrensning i en enkelt anordning,” sagde Dr. Chanon Pornrungroj fra Cambridges Yusuf Hamied Kemisk Institut, papirets medforfatter. “Sol-drevet vandsplitning, hvor vandmolekyler nedbrydes til brint og ilt, skal starte med helt rent vand, fordi eventuelle forurenende stoffer kan forgifte katalysatoren eller forårsage uønskede kemiske sidereaktioner.”

Design og funktionalitet

“I fjerntliggende eller udviklingsregioner, hvor rent vand er relativt sjældent, og infrastrukturen nødvendig for vandrensning ikke er let tilgængelig, er vandsplitning ekstremt vanskelig,” sagde medforfatter Ariffin Mohamad Annuar. “En anordning, der kunne arbejde med forurenet vand, kunne løse to problemer på én gang: den kunne splitte vand for at lave rent brændstof, og den kunne lave rent drikkevand.”

Udnyttelse af solenergi til ny bæredygtig energi

Desuden bruger den nye anordning mere af solens energi. “Den lysdrevne proces til fremstilling af solbrændstof bruger kun en lille del af solspektret – der er meget af spektret, der går ubrugt,” sagde Mohamad Annuar.

Læs mere om potentialet for vedvarende energi

Potentiale for global påvirkning af energiudvinding

En anordning, der alene med solenergi kan lave rent brændstof og rent vand på én gang, kunne hjælpe med at løse energi- og vandkrisen, som så mange dele af verden står over for. For eksempel er indendørs luftforurening forårsaget af madlavning med ‘beskidte’ brændstoffer ansvarlig for mere end tre millioner dødsfald årligt ifølge Verdenssundhedsorganisationen. Madlavning med grønt brint kunne hjælpe med at reducere det tal betydeligt. Og 1,8 milliarder mennesker verden over mangler stadig sikkert drikkevand derhjemme.

1. Løsninger på energi- og vandkrisen: Denne solcelledrevne enhed har potentialet til at være en betydelig løsning på de energi- og vandkriser, som mange dele af verden står overfor. Den er især værdifuld i områder med begrænset adgang til rent vand og effektive energikilder.
2. Reduktion af indendørs luftforurening: Ved at bruge grønt brint som en alternativ energikilde kan enheden hjælpe med at reducere den indendørs luftforurening forårsaget af brugen af forurenende brændstoffer som petroleum. Dette kan i høj grad mindske de sundhedsmæssige risici, som er forbundet med denne type forurening.
3. Adgang til rent drikkevand: Et af de mest presserende globale problemer er mangel på sikkert drikkevand. Denne enhed tilbyder en mulig løsning ved at kunne producere rent drikkevand, hvilket kan have stor betydning for de næsten 1,8 milliarder mennesker, der mangler adgang til dette.
4. Retning mod en bæredygtig fremtid: Udviklingen af denne teknologi er et skridt hen imod en mere bæredygtig og cirkulær økonomi. Den adresserer både klima- og sundhedskriser og kan blive en vigtig faktor i bestræbelserne på at skabe en mere bæredygtig fremtid for alle.

Sammen med andre nye teknologiske landvindinger, som f.eks. udvinding af strøm fra varierende saltbalance i vand, er dette utroligt spændende nyt, og et stort skridt på vejen mod en mere bæredygtig og cirkulær energiproduktion.

Designets enkelthed og effektivitet

“Det er også så enkelt et design: på få skridt kan vi bygge en anordning, der fungerer godt på vand fra en bred vifte af kilder,” sagde Mohamad Annuar. “Den er så tolerant over for forurenende stoffer, og det flydende design gør det muligt for substratet at fungere i meget grumset eller mudret vand,” sagde Pornrungroj. “Det er et yderst alsidigt system.”

Fremtidsudsigter og bæredygtighed

“Vores anordning er stadig et principtest, men dette er de slags løsninger, vi vil have brug for, hvis vi skal udvikle en virkelig cirkulær økonomi og en bæredygtig fremtid,” sagde Reisner, der ledede forskningen. “Klimakrisen og problemer omkring forurening og sundhed er tæt forbundet, og at udvikle en tilgang, der kunne hjælpe med at løse begge dele, ville være en game-changer for så mange mennesker.”

Læs mere om “det kunstige blad” på ieee.org

Læs mere om forskningen på cam.ac.uk