Drijvende kunstmatige bladeren wekken duurzame energie op

Drijvende kunstmatige bladeren kunnen schone energie opwekken uit zonlicht en water. De onderzoekers die de bladeren ontwikkelen hopen dat deze op termijn op grote schaal inzetbaar zijn op zee, waar zij een duurzaam alternatief voor benzine kunnen produceren.

De bladeren zijn ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Cambridge. Het gaat om zeer dunne, flexibele apparaten die gebaseerd zijn op fotosynthese. Dit is een vorm van biosynthese waarbij planten zonlicht omzetten in energie. De bladeren zijn lichtgewicht en kunnen hierdoor drijven op het water. De onderzoekers hopen dat hun uitvinding leidt tot een nieuw duurzaam alternatief voor benzine, zonder dat de productie hiervan ruimte op land in beslag neemt.

De ontwikkeling van de onderzoekers sluit aan op de huidige aandacht voor klimaatverandering en het beperken hiervan. De focus ligt hierbij vaak op zonne- en windenergie. Beide zijn echter minder geschikt voor de scheepvaart. Het vervoer van de wereldwijde handel vindt naar schatting voor 80% plaats door schepen die varen op fossiele brandstoffen, meldt de universiteit. De onderzoekers hopen dat hun ontwikkeling de afhankelijkheid van de scheepvaartsector van fossiele brandstof kan helpen afbouwen. De technologie is inzetbaar in rivieren, havens en op volle zee.

Al langer in ontwikkeling

De kunstmatige bladeren die de onderzoekers van de Universiteit van Cambridge presenteren zijn een al langer in ontwikkeling. In 2019 presenteerden de onderzoekers al een prototype dat syngas, ook wel synthesegas genoemd, produceert uit zonlicht, koolstofdioxide en water. Syngas speelt een belangrijke rol in de productie van veel chemicaliën en farmaceutische producten. Dit eerdere model genereerde brandstof door het combineren van twee licht absorberende materialen, die waren voorzien van katalysators. Het prototype maakte gebruik van relatief dikke glassubstraten en vochtbeschermende coatings. Het model was daardoor relatief groot.

“Kunstmatige bladeren kunnen de kosten van de productie van duurzame brandstof substantieel verlagen. Maar doordat zij zowel zwaar als fragiel zijn, zijn zij moeilijk op schaal te produceren en transporteren”, zegt Dr. Vigil Andrei van de Yusuf Hamied Department of Chemistry van de Universiteit van Cambridge, over het eerdere prototype.

“We wilden zien hoe ver we de het materiaalgebruik in deze apparaten konden terugdringen, zonder hun prestaties te beïnvloeden”, zegt hoogleraar Energie en Duurzaamheid Erwin Reisner van de Universiteit van Cambridge, die het onderzoek leidde. “Indien we het materiaalgebruik ver genoeg kunnen terugdringen zodat zij licht genoeg zijn om te drijven, maakt dit nieuwe manieren mogelijk waarop deze kunstmatige bladeren gebruikt kunnen worden.” Met het nieuwe model zijn zij hierin geslaagd.

Water buiten houden

Een belangrijke uitdaging waar de onderzoekers tegenaan liepen was het aanbrengen van lichtabsorberend materiaal op lichtgewicht substraten en deze substraten beschermen tegen water. Het team gebruikte hiervoor een dunne film van metaaloxiden en perovskieten, die als coating kunnen worden aangebracht op flexibele plastics en metaalfolies. De apparaten zijn voorzien van waterafstotende koolstof-gebaseerde lagen van slechts een micrometer dik, die het water buiten houden. Het eindresultaat lijkt in zekere mate op een blad.

“Dit onderzoek toont aan dat kunstmatige bladeren compatibel zijn met moderne fabricagetechnieken, wat een vroege stap is richting het automatiseren en opschalen 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 bekabelde systemen bereiken.”

Waterstof en syngas

De kunstmatige bladeren zijn in staat water om te zetten in waterstof en zuurstof, maar kunnen ook koolstofdioxide reduceren tot syngas. De onderzoekers wijzen erop dat de technologie moet worden doorontwikkeld voordat deze gecommercialiseerd kan worden. Wel hebben zij grote verwachtingen van hun ontwikkeling. “Zonneparken zijn populair geworden voor elektriciteitsproductie; wij voorzien vergelijkbare parken voor brandstofsynthese”, zegt Andrei. Dergelijke zonneparken kunnen volgens de onderzoeker kuststeden en afgelegen eilanden voorzien van brandstof, maar ook helpen verdamping van water uit irrigatiekanalen tegen te gaan.

Ook wijzen de onderzoekers op de ruimtebesparing op land die met kunstmatige bladeren mogelijk is. “Veel duurzame energietechnologieën waaronder zonnebrandstoftechnologieën nemen een grote hoeveelheid ruimte op land in. Het verhuizen van productie naar open water betekent dat schone energie en landgebruik niet langer met elkaar concurreren”, zegt Reisner. “In theorie kan je deze apparaten oprollen en bijna overal neerzetten, in nagenoeg ieder land. Dit kan ook helpen met energiezekerheid.”

Meer informatie is beschikbaar in Nature, waarin de onderzoekers al hun onderzoeksresultaten presenteren.

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Foto: CAWFotografie via Pixabay