Forskere udvikler fuldt soldrevet autonomt kemisk minianlæg

Professor Timothy Noël og kolleger i Flow Chemistry-gruppen ved Van 't Hoff Instituttet for Molekylær Videnskab ved Universitetet i Amsterdam har udviklet en fuldt funktionsdygtig selvstændig solcelledrevet minireaktor, som tilbyder potentiale for produktion af finkemikalier i fjerntliggende steder på jorden, og muligvis endda på Mars. I et papir udgivet af ChemSusChem , holdet præsenterer deres unikke, helt off-grid fotokemi system.

Det nye system, som er i stand til at syntetisere lægemidler og andre kemikalier i økonomisk relevante mængder, "lyser i isolerede miljøer og giver mulighed for decentralisering af produktionen af ​​finkemikalier, " ifølge professor Noël. "Minianlægget er baseret på konceptet fotokemi, bruge sollys til direkte at 'power' den kemiske syntese. Vi anvender en fotokatalysator, en kemisk art, der driver syntesen, når den er belyst, " Noël fortsætter. "Normalt bruges kraftige LED'er eller andet belysningsudstyr til belysningen, men vi vælger at bruge sollys. Til at begynde med, dette gør syntesen fuldt ud bæredygtig. Men det muliggør også stand-alone drift på fjerntliggende steder. Vores drøm er at se vores system bruges ved en base på Månen eller på Mars, hvor selvbærende systemer er nødvendige for at levere energi, mad og medicin. Vores mini-anlæg kunne bidrage til dette i en fuldstændig autonom, selvstændig måde."

En soldreven strømningsreaktor

Udviklingen af ​​mini-anlægget startede for omkring fem år siden, da Noël-forskningsgruppen - på det tidspunkt baseret på Eindhoven University of Technology - udviklede en "solkoncentrator." Dette er i det væsentlige et ark af gennemsigtigt plast med mikrometerstore kanaler, hvori den kemiske syntese finder sted. Ved at tilføje dedikerede farvestoffer, forskerne udviklede plastikken til en solcelleleder og selvlysende konverter. Den fanger sollys og leder det mod kanalerne, samtidig med at en væsentlig del af lyset omdannes til røde fotoner, der driver den kemiske omdannelse.

Næste skridt var at omdanne koncentratoren til en fuldt operationel flowreaktor. "Det betyder, at vi pumper en reaktionsblanding af udgangsmaterialer og fotokatalysator gennem de solbeskinnede kanaler, " siger Noël. "Den ønskede kemiske omdannelse finder sted i disse kanaler, så de er, faktisk, vores alternativ til de traditionelle kemiske syntesekolber eller -beholdere." Noël fortsætter med at forklare, at selvom kanalerne er ret små, en sådan "strømningsreaktor" kan producere ret relevante output, da den arbejder fra solopgang til solnedgang på en kontinuerlig måde. "Hvad mere er, " tilføjer han, "brugen af ​​kanaler giver mulighed for en langt mere effektiv kobling mellem lys og kemi, end det er muligt, når man bruger traditionelle kolbereaktorer."

Maksimal effektivitet

Noël-forskningsgruppen havde allerede demonstreret solstrømsreaktorkonceptet ved at syntetisere en række medicinsk relevante molekyler, dog i laboratorieskala i et kontrolleret miljø. Nu, i deres seneste avis i ChemSusChem , de beskriver, hvordan de udviklede en levedygtig, optimalt effektivt autonomt fotosyntesesystem og anvendte det i feltforsøg. De giver også et overblik over aspekter som anvendelsespotentiale og økonomisk ydeevne.

Prototypen af ​​solstrømsreaktoren dækker nu et areal på omkring 0,25 kvadratmeter. For at gøre den fuldstændig autonom, forskerne udstyrede den med en solcelle, der leverer strøm til hjælpemidler som pumper og styresystemet. Denne solcelle er placeret bag flowreaktoren i en stablet konfiguration, der sikrer maksimal effektivitet pr. kvadratcentimeter, ifølge Noël. "De mere energiske bølgelængder bruges i reaktoren til at drive fotokatalysatoren. De resterende fotoner med bølgelængder på 600-1100 nm omdannes til elektricitet for at drive hjælpestofferne."

Verdensomspændende anvendelsespotentiale

Den fuldt autonome prototype anvender også et responsivt kontrolsystem, der kan optimere den kemiske omdannelse ved forskellige lysintensiteter. "Når en sky dækker solen, ville den kemiske omdannelse normalt falde meget hurtigt, " siger Noël. "Vores system er i stand til at foretage de nødvendige justeringer i realtid. Feltforsøg bekræftede, at den er i stand til at udskille kemikalier med en konstant hastighed, selv på dage, der er en blanding af solskin og overskyet." Testene blev udført i Holland. For at få et indtryk af de globale anvendelsesmuligheder, sammenligninger blev foretaget ved hjælp af soldata på steder i Norge (Nordkap), Spanien (Almeria) og Australien (Townsville). Noël:"Selv på Nordkap, med relativt lidt solenergi, vi estimerer tilfredsstillende produktionstal."

Forskerne sammenlignede også prototypesystemets ydeevne med produktionstal for den velkendte fotokemiske syntese af rosenoxid. Dette produkt til parfumeindustrien er industrielt fremstillet ved fotokemiske midler, fordi det er renere og mere effektivt end traditionel kemisk syntese. Forskerne beregnede, at et overraskende lille overfladeareal ville kræves for at deres system kunne imødekomme den nuværende årlige efterspørgsel - kun 150 m. ² ville være tilstrækkeligt. Noël:"Det er kun ét fabrikstag fyldt med vores mini-anlæg! Systemomkostningerne ville svare til de nuværende kommercielle fotosyntesesystemer. Men vi har kun brug for solenergi, så der er ingen energiforbrug. Så dette kunne virkelig være en bæredygtig strategi for fremtiden produktion af kemikalier såsom rosenoxid eller lægemidler."

Lad væggene lave kemikalier

Noël mener, at hans gruppes forskning afviser enhver skepsis over for potentialet i soldrevet kemisk teknologi:"Vi demonstrerer, at der er muligheder for soldrevet kemisk produktion selv her i Holland. Du behøver ikke at tage til Qatar!" Hvad mere er, systemet egner sig til anvendelse på uventede steder. "Man kunne endda dække facaden på en bygning. Selvfølgelig ville outputtet være mindre, end når systemet placeres i en optimal vinkel i forhold til solen. Men det er bestemt muligt - og hvor fedt ville det være at få væggene til at lave kemikalier!"