Artikkel

Får ni millioner til å utvikle kunstig fotosyntese

Portrett av Einar Uggerud, professor i kjemi
Einar Uggerud studerer en inspirasjonskilde til arbeidet med den kunstige fotosyntesen: Et radiometer, dvs. en glassballong med en spindel som roterer når lys faller på vingene. Bruk bildet.

Får ni millioner til å utvikle kunstig fotosyntese

Tenk om vi kunne herme etter naturen og utvikle en kunstig fotosyntese, som omdanner luft og vann til billig og miljøvennlig energi? Professor Einar Uggerud har allerede kommet langt i den retningen, og nå har han fått en stor bevilgning fra Norges forskningsråd.

Professor Einar Uggerud ved Kjemisk institutt får andre assosiasjoner enn folk flest når han er på vei til jobben.

Der andre mennesker for eksempel går forbi et tre og legger merke til de vakre høstfargene, tenker Uggerud isteden på alle de spennende kjemiske reaksjonene som foregår inne i treet.

Bilde av fotosyntese: Sol som skinner gjennom løvverk
Planter er kjemiske fabrikker som bruker sollysets energi til å omdanne CO2 og vann til karbohydrater ogt oksygen. Kanskje reaksjonen kan forbedres i en kunstig fotosyntese. Foto: Colourbox

– Jeg tenker også på at de prosessene kan variere veldig fra dag til dag eller fra årstid til årstid, sier Uggerud.

Forskning med klimaperspektiv

Det var mens Uggerud gikk i slike tanker at han fikk ideen til det prosjektet Forskningsrådet nå har finansiert med ni millioner kroner gjennom et program for fri prosjektstøtte (FRINATEK). Målet med prosjektet er blant annet å beskrive de grunnleggende faktorene som regulerer dannelsen av kovalente bindinger mellom karbon- og hydrogenatomer i den naturlige fotosyntesen.

Litt enklere sagt: Uggerud vil studere noen sentrale detaljer i fotosyntesens kjemiske prosesser, og undersøke om prosessen kan gjøres enklere i en kunstig form for fotosyntese.

Fakta om fotosyntesen

  • Fotosyntesen er en kjemisk prosess som omdanner karbondioksid og vann (som inneholder lite energi) til sukker og andre karbohydrater samt oksygen, som er energirike forbindelser
  • Energien i reaksjonen kommer fra sollyset. Den kjemiske reaksjonen ser slik ut:
  • 6 CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

Prosjektet har et klart klimaperspektiv, men Uggerud lover ikke at han skal redde det globale klimaet.

– Det blir å dra det for langt, men det går å tenke seg at dette kan gi et bidrag, forteller han.

– I våre dager er det blitt et stort problem at forbrenningen av fossile energikilder fører til økt CO2-innhold i atmosfæren. Vi kan i prinsippet velge to strategier for å motvirke denne økningen, hvis vi ikke klarer å redusere forbruket av fossile energikilder. Den mest omtalte strategien går ut på drive med utstrakt karbonfangst og lagring (CCS) – det vil si at vi må fange CO2 fra forbrenningsprosesser og begrave gassen i geologiske strukturer for eksempel i Nordsjøen, forklarer Uggerud.

Vil ta CO2 ut av atmosfæren

Men det finnes også en annen mulighet som er mer direkte, og mer interessant for en kjemiker: Tenk om vi kunne herme etter naturen og utvikle en kunstig fotosyntese? Altså: Tenk om vi kunne ta CO2 ut av atmosfæren og omdanne det til energirike forbindelser som for eksempel kan brukes til drivstoff?

– I den naturlige fotosyntesen kommer energien til denne reaksjonen fra sollyset. Det er imidlertid fullt mulig å drive liknende reaksjoner også med andre energikilder, som for eksempel elektrolyse, forklarer Uggerud.

Tenk om Calvin tok feil?

Hvis man vil utvikle en kunstig fotosyntese, er det smart å vite mest mulig om den naturlige fotosyntesen. De kjemiske reaksjonene som foregår i den naturlige fotosyntesen ble beskrevet i stor detalj av den amerikanske kjemikeren Melvin Calvin i 1950-årene.

Fakta om prosjektet

  • Norges forskningsråd har bevilget ni millioner kroner til prosjektet The Chemistry of CO2 activation and fixation. Professor Einar Uggerud ved Kjemisk institutt er prosjektleder, mens professor Knut Børve ved Universitetet i Bergen er medsøker.
  • Midlene skal blant annet brukes til å lønne tre doktorgradsstudenter

Men Einar Uggerud har vært kjemiprofessor så lenge at han var blitt klar over en svakhet i Calvins beskrivelse: Tenk om han tok feil i beskrivelsen av den såkalte mørkereaksjonen, som fører til at det dannes forbindelser mellom karbonatomer i fotosyntesen?

– Calvin har etter min mening ikke redegjort godt nok for det som skjer i mørkereaksjonen. Det må nemlig tilføres to elektroner for at to karbonatomer fra hvert sitt CO2-molekyl skal binde seg sammen. Men: Kommer de elektronene fra noen mellomprodukter som kan avgi elektroner, eller er CO2-molekylene aktivert på en måte som gjør at elektronene kan komme inn etterpå? Jeg har grublet i mange år på rekkefølgen i de prosessene som gjør dette mulig, og nå har jeg fått anledning til å komme til bunns i saken, forteller Uggerud.

Fantastisk mulighet i Paris

CO2 molekylet er rett som en pinne i normaltilstanden
Under normale forhold er CO2 et pinnerett molekyl, med karbon i midten og oksygen i hver sin ende. Illustrasjon: UiO

Professor Uggerud bestemte seg for å se nærmere på CO2-molekylets oppførsel i mørkereaksjonen, og kanskje manipulere molekylet slik at reaksjonen kunne bli enklere. I naturlig tilstand er CO2-molekylet rett som en pinne. Men tenk om det gikk an å bøye molekylet, slik at det sentrale karbonatomet får en positiv elektrisk ladning og blir mer reaktivt?

Uggerud så for seg at dette kunne han få til ved å utsette CO2 for oksalsyre (en vanlig råvare i industrielle prosesser) oppløst i vann tilsatt magnesiumklorid.

Du skal helst være kjemiker for å forstå hvor original den ideen er, men det finnes heldigvis mange kjemikere – og de har etter hvert blitt svært interessert i Uggeruds ide.

Han gjorde noen innledende forsøk som etter alt å dømme produserte et lite molekyl som antakelig var ringformet. Et kompleks med magnesium hadde knyttet seg til de to oksygenatomene, mens et karbonatom stakk ut på den andre siden.

Det ringformede molekylet var et såkalt karben – det vil si at karbonet har to ikke-bundne elektroner – og måtte være svært reaktivt. Og så begynte eksperimentene for alvor.

– Det gjensto å bestemme strukturen til dette molekylet helt sikkert, og det fikk jeg anledning til da jeg ble invitert til å være gjesteprofessor ved Université Pierre-et-Marie-Curie i Paris. Universitetet stilte tre postdoktorstipendiater til min disposisjon og ga meg en helt fantastisk mulighet, forteller Uggerud.

Ringformet molekyl med reaktivt karbon
Etter aktivering med et kompleks (grønt) av oksalsyre og magnesiumklorid blir det dannet et ringformet molekyl hvor karbonet (grått) i CO2 er mer reaktivt. Illustrasjon: Einar Uggerud, UiO.

Bekreftet i Berlin

Einar Uggerud kom langt i retning av å bekrefte det nye karbenets struktur under oppholdet i Paris. Den endelige bekreftelsen kom litt senere, under et opphold ved Max Planck-instituttet i Berlin.

Der fikk Uggerud og doktorgradsstudenten Glenn Miller anledning til å bruke en av verdens mest avanserte frielektronlasere, det vil si en laser med en stråle bestående av elektroner som er akselerert opp mot tilnærmet lyshastigheten.

Laseren genererer så mye røntgenstråling at den er bygd inn i en bunker med tre meter tjukke betongvegger som beskytter operatørene mot alvorlige strålingsskader.

– Det fine med en slik laser er at det går an å variere bølgelengden, men for vårt prosjekt var det den infrarøde strålingen som var mest interessant. Poenget er at vi kan undersøke molekylers struktur ved å undersøke hvilke frekvenser som blir absorbert. Dette er sånt som de fleste kjemikere bare trenger ett øye for å finne ut av, forklarer Uggerud.

Eksperimentene med den tyske frielektronlaseren ga et klart svar: Det reaktive karben-molekylet Uggerud og Miller trodde at de hadde med seg, var også det molekylet som var der i virkeligheten.

Dette var et stort fremskritt, som førte til at Uggerud begynte å skrive på en søknad til Forskningsrådet. Og nå er søknaden innvilget.

Diskusjon om arealbruken

– Hvis vi klarer å utvikle en kunstig fotosyntese fra dette utgangspunktet, havner vi fort i en diskusjon om hva vi skal bruke arealene våre til: Skal vi bruke dem til å ha trær på, for de gjør jo allerede jobben med å ta CO2 ut atmosfæren? Eller skal vi bruke de samme arealene til å bygge fabrikker basert på kunstig fotosyntese.

– Da må jo forutsetningen være at vi får mer drivstoff – eller andre fordeler – ut av hver kvadratkilometer med den kunstige varianten . Men det er uansett viktig å lære mer om både den naturlige og den kunstige fotosyntesen, påpeker Uggerud.

Kontakt:

Professor Einar Uggerud, Kjemisk institutt

Les også:

Paris-avtalen: En seier for klimaforskningen

Kjemien som kan gi deg bedre helse

Einar Uggerud et al.: Spectroscopic identification of a bidentate binding motif in the anionic magnesium-CO2 complex. Angewandte Chemie 22 December 2014.
Einar Uggerud et al.: Formation and Characterization of Gaseous Adducts of Carbon Dioxide to Magnesium. Angewandte Chemie 6 June 2012.

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også

Sykt barn i senga

Feilmedisinering av barn kan unngås med 3D-printede tabletter

Foreldre flest kjenner problemet: Minsten er syk og trenger en kvart tablett av en medisin som er tilpasset voksne, men den blir til pulver når du prøver å dele den. Om noen år kan problemet løses ved hjelp av 3D-printere som lager en tablett med nøyaktig riktig dose. Også vanlige printere kan brukes til fremstilling av persontilpasset medisin. 

Henrik Svensen

Steinbra formidler

Henrik Svensen ble tidlig bergtatt av steiner og Jordens eldgamle mysterier. Nå er han hedret for sitt arbeid med å bringe denne kunnskapen ut til folk.