Fra værdiløst landbrugsaffald til banebrydende supermateriale
Forskere har gjort en ganske uventet opdagelse i noget så simpelt som almindeligt hverdagsaffald. Et ekspertteam fra Australien har nemlig påvist, at vi kan omdanne millioner af tons kasserede jordnøddeskaller til topkvalitets grafen. Selvom dette nanomateriale betragtes som et regulært mirakel i fremstillingssektoren, har produktionen indtil nu været utroligt besværlig og omkostningstung. Men takket være en utrolig smart metode til varmebehandling, forventer specialisterne nu, at grafen meget snart kan blive lige så let tilgængeligt som stål og plastik.
På globalt plan skaber vi årligt over 10 millioner tons skaller fra jordnødder. Hverken landmænd eller fødevareproducenter har reelt kunne finde et praktisk formål med dem. Langt størstedelen af disse rester ryger derfor direkte på lossepladsen eller i kompostbunker, hvilket betyder, at materialets økonomiske værdi er stort set lig nul.
Alligevel har forskere fra University of New South Wales (UNSW) formået at spotte et gigantisk potentiale i disse enorme bjerge af skrald. De hårde jordnøddeskaller bugner nemlig af lignin. Dette er en særlig plantepolymer, som indeholder ekstremt meget kulstof. Og netop kulstof udgør selve fundamentet for at kunne skabe grafen.
Grafen består helt simpelt af et enkelt lag kulstofatomer, der er bundet sammen i en struktur, som minder utrolig meget om en bikube. Materialet udmærker sig ved at være ufatteligt tyndt, stærkere end stål og bedre til at lede strøm end kobber. Desværre har astronomiske produktionsomkostninger samt brugen af skrappe kemikalier i lang tid spændt ben for en massiv industriel udnyttelse.
Lederen af forskningsholdet, Guan Yeoh, fremhæver, hvordan denne omdannelse af plantemateriale på smukkeste vis forener grøn bæredygtighed med fremstillingen af et utrolig værdifuldt nanomateriale. Samtidig er den nye teknik en seriøs konkurrent til de langt dyrere traditionelle metoder, man hidtil har været afhængig af.
To intense varmebølger placerer kulstoffet helt perfekt
Det revolutionerende australske system bygger på en proces i to trin, hvor temperaturen lynhurtigt presses i vejret. Hele forløbet sættes i gang ved at pulverisere jordnøddeskallerne, indtil de bliver til et fuldstændig fint støv. Derefter udsættes denne masse for to meget korte, men ekstremt kraftige termiske chok.
Første fase: Klargøring af rent kulstof
Som det allerførste opvarmer eksperterne pulveret indirekte via elektrisk strøm op til cirka 500 grader Celsius. Denne intense tilstand opretholdes omhyggeligt i fem minutter. På ganske få øjeblikke sørger varmen for at fordampe alt ilt, brint, vand og andre unødvendige urenheder fra massen.
Hvad forskerne står tilbage med bagefter, er en helt specifik type plantekul fyldt med aromatiske kulstofringe. Disse særlige ringe agerer som den absolut mest optimale startstruktur for grafen, fordi kulstofatomerne heri allerede er delvist organiseret. Fageksperterne vurderer, at dette indledende skridt er strengt nødvendigt for fuldstændig at undgå fejl i det færdige nanomateriale, da kvaliteten af dette mellemprodukt i høj grad dikterer det endelige resultat.
Anden fase: Lynopvarmning til mere end 3 000 grader
Næste skridt består af en enormt kraftfuld, men ultrakort energiudladning. Inden for brøkdele af et sekund skyder temperaturen i det forkullede pulver nemlig op over de magiske 3 000 grader Celsius.
Under disse brutale og ekstreme forhold formår kulstofatomerne på mirakuløs vis at omarrangere sig selv helt automatisk. Herved dannes der tynde lag af grafen, som ligger løst ovenpå hinanden. Rejsen fra en simpel rå skal til færdigproduceret grafen tager overraskende nok kun ti minutter i alt. En anden kæmpe gevinst er den fuldstændige mangel på giftige opløsningsmidler, hvilket gør netop denne tilgang til den perfekte kandidat for en fremtidig bæredygtig industriproduktion.
Fagfolk kalder denne bestemte variant for turbostratisk grafen. Selvom de individuelle lag ikke flugter hundrede procent perfekt, er det netop denne egenskab, der gør materialet så utrolig velegnet til et hav af praktiske anvendelser, hvor ét enkelt fejlfrit atomlag ikke udgør et absolut krav.
Derfor higer industrien efter grafen fra jordnødder
Da forskerholdet regnede på sagerne, kom de frem til et chokerende lavt energiforbrug for den nye produktionsmetode. Når man skal fremstille præcis et kilo grafen på denne måde, koster elektriciteten blot i omegnen af 1,10 eura (hvilket svarer til cirka 28 korun). Sammenligner vi dette direkte med de nuværende gængse fremstillingsmetoder, kræver sidstnævnte markant dyrere råmaterialer og kolossale mængder af energi.
Hvis man formår at udbrede konceptet i praksis, vil det uden tvivl medføre en række fundamentale fordele:
- En drastisk prisreduktion: Materialet vil endelig blive tilgængeligt for bred masseproduktion fremfor at være forbeholdt stærkt specialiserede nicher.
- En langt mere klimavenlig proces: Fraværet af farlige kemikalier resulterer i et massivt fald i den generelle miljøbelastning.
- En genfødsel for skrald: Almindeligt overskud fra landbruget bliver pludselig forvandlet til en eftertragtet teknologisk ressource.
- Problemløs implementering: Da teknologien udelukkende kører på strøm, kan den med stor lethed integreres direkte i eksisterende fabrikker.
Det markante prisfald sparker desuden døren ind til skabelsen af helt nye produkttyper. Førhen var disse fremtidsløsninger slet ikke rentable at udvikle på grund af de astronomiske prisskilte.
Fra smarte plastre til exceptionelt kraftfulde batterier
Selvom den turbostratiske grafen fra skallerne ikke matcher den absolut dyreste variant fra avancerede laboratorier, spiller det i virkeligheden ingen rolle. Industrielle virksomheder efterspørger nemlig typisk enorme mængder af grafen i en tilstrækkeligt god kvalitet fremfor blot en håndfuld mikroskopiske, fejlfrie krystaller.
Hvis der opnås en stensikker garanti for billige forsyninger, vil man potentielt kunne sætte voldsomt tempo på opladningen af batterier i moderne elbiler. Derudover baner opdagelsen vej for fleksible og overkommelige sensorer, der meget vel kan indvæves direkte i dit tøj eller indbygges i avancerede medicinske plastre.
Eksperterne fra Australien hviler dog ikke på laurbærrene. I øjeblikket tester forskerne intensivt den samme proces på flere andre typer biomasse, der har et naturligt højt niveau af lignin og kulstof. De undersøger blandt andet muligheden for at bruge almindeligt kaffegrums og bananskræller.
Såfremt disse andre affaldstyper også viser sig som et solidt match, vil vi pludselig stå med en global og let tilgængelig forsyningskæde. Dette kan spille en afgørende rolle for at bryde vores dybe afhængighed af fossile brændstoffer, især råolie. Man kan sagtens forestille sig et højte
