Top nitrogenforskere forestiller sig verden hinsides fossile brændstoffer

Motorveje kvalt af trafik, supermarkeder fyldt med gødningsdyrket materiel fra afstandsmarker og stort set alt, hvad vi rører ved, stammer fra oliebaseret plast. Det er svært at forestille sig et liv uden for vores fossile verden. Sort guld har bragt os hidtil uset velstand, men det har også forurenet vores miljø, måske uopretteligt, og det er i begrænset udbud. Hvad nu?

Svaret, min ven, blæser i vinden. Men ikke i klagen, uopnåelig måde Bob Dylan udtrykte i sine berømte tekster. Livgivende nitrogen strømmer rundt omkring os og, ifølge biokemikeren Lance Seefeldt fra Utah State University og andre topforskere, det rummer nøglen til bæredygtighed ud over ikke-vedvarende energi.

US Department of Energy Office of Basic Energy Sciences samlede Seefeldt og 16 andre eksperter i nitrogenforskning i Washington, D.C. til et topmøde i oktober 2016 for at diskutere det nuværende felt inden for kvælstofaktiveringskemi og dets fremtidige retninger. Holdet rapporterer deres konklusioner i en oversigtsartikel i 25. maj. 2018, udgave af tidsskriftet Videnskab .

"Denne sammenkomst var en 'Who's Who' for nitrogenforskning, siger Seefeldt, professor ved USU's Institut for Kemi og Biokemi, en American Academy for the Advancement of Science Fellow og en medformand for forsamlingen. "Vores gruppe inkluderede nobelpristageren Robert Schrock, og kulminationen af ​​vores indsats er virkelig en tour de force. Ingen af ​​os, individuelt, kunne have skrevet denne rapport."

Alt liv på jorden kræver nitrogen og hele 80 procent af planetens atmosfære, i form af dinitrogen, består af den livsopretholdende gas. Endnu, hverken dyr eller planter kan få direkte adgang til kvælstof.

"Det er en utrolig ironi, " siger Seefeldt. "Vi har brug for nitrogen for at overleve, og vi svømmer i et hav af det, men vi kan ikke komme til det. Mennesker og dyr får nitrogen fra protein i vores mad. Planter får nitrogen fra jorden."

Det var her, fossile brændstoffer kom ind i billedet for omkring et århundrede siden. De tyske videnskabsmænd Franz Haber og Carl Bösch var banebrydende for en revolutionerende proces for at bryde nitrogens ultra-stærke bindinger og muliggøre produktion af gødning i kommerciel skala, som ansporede en hidtil uset vækst i den globale fødevareforsyning og, efterfølgende, verdens befolkning.

"Det var et af historiens teknologiske vidundere, men det bruger i øjeblikket omkring to procent af verdens fossile brændstofforsyning og dermed det kommer med et meget tungt kulstofaftryk, " siger Seefeldt.

Hvad konkluderede han og hans videnskabskolleger fra deres topmøde? Det er tid til at tage hul på en ny revolution.

"Der er muligheder for at opnå radikalt forbedrede, nye og anderledes veje (for at opnå nitrogentransformationer), " skriver forskerne. "Men fremskridt i denne henseende vil kræve en forståelse på molekylært niveau af nitrogentransformationsreaktioner, samt ... opdagelse af nye katalytiske systemer og alternative metoder til at levere den nødvendige energi til at drive disse reaktioner."

Seefeldt og hans USU-hold, hvis forskning er støttet af DOE, har allerede været banebrydende i indsatsen for en ren og vedvarende lysdrevet proces til at omdanne nitrogen til ammoniak, en primær komponent i gødning.

"Vores forskning i denne proces, som bruger nanomaterialer til at fange lysenergi, demonstrerer, hvordan sollys eller kunstigt lys kan drive nitrogenfiksering, " siger Seefeldt. "Det er en potentiel game-changer."