Solenergi kan bruges til at spalte vand og derved producere bæredygtig energi i form af brint (se også fotokatalyse). Men før man kommer så langt, skal solstrålerne indfanges, og det forskes der i hos båndgab-gruppen. Når solen skinner på et materiale, overføres solenergien til materialets elektroner, der exciteres, dvs. løftes op i en højere energitilstand.
Afhængigt af materialet er det en bestemt mængde energi, også kaldet båndgabet, der skal bruges til at excitere en elektron. Hvis materialet skal kunne spalte vand, skal båndgabet have en vis størrelse, men det er ikke bare et spørgsmål om ”jo større jo bedre”. Professor og projektleder Karsten W. Jacobsen forklarer:
- De materialer, vi kender, kan sagtens spalte vand, fordi de har meget store båndgab. Men de kræver også store energiladninger fra solen, og det betyder, at kun den mest energirige del af sollyset, UV-lyset, kan bruges. Resten af solens lys går altså til spilde. I gruppen er vi derfor på jagt efter materialer, der kan spalte vand, ved hjælp af de mindre energirige dele af sollyset, dvs. materialer med et mindre båndgab.
Karstens gruppe beregner båndgabet for hundredvis af potentielle materialer og eksperimenterer med dem. Men de forsker også i at øge lysoptagelsen på andre måder, for eksempel ved at lave nanostrukturer på overfladen af materialet. Det kan give en mindre refleksion og større koncentration af sollys.
Så næste gang du sætter dig for at nyde solens stråler, er det måske værd at tænke på, hvor svært det faktisk er at fange en solstråle…
Her kan du læse om nogle af de forskere, der er tilknyttet projektgruppen Design af båndgab:
Elektroner på gyngende grund Top
Kristen Kaasbjerg, postdoc, 31 år, civilingeniør
Kemiske reaktioner sker altid på overfladen af et materiale. Så når energien fra exciterede elektroner skal bruges til at drive reaktioner som fx dannelsen af brint, skal elektronerne først transporteres ud til overfladen. Rejsen gennem materialet er dog slet ikke så ligetil. Et materiales atomer er struktureret i et gitter, som vibrerer ligesom vægge og gulve i det gyngende hus i Tivoli. For at gøre udfordringen endnu større, bevæger elektronerne sig ikke i lige, men i bølgeformede linjer. Disse forhindringer sænker elektronens hastighed gennem materialet og effektiviteten af den ønskede reaktion.
Kristen Kaasbjerg forsker i elektroners bevægelser og vil udvikle et program, der kan regne på svingningerne.
- Første skridt er, at programmet skal kunne beregne svingningerne for forskellige materialer, og derefter skal det kunne sammenholde gittersvingningerne med elektronens bølgebevægelser. På den måde kan vi beregne, hvor hurtigt elektronen rent faktisk når gennem materialet, og derved hvor effektivt materialet er til at drive den kemiske reaktion.
Lys i mørket Top
Filippo Cavalca, ph.d.-studerende, 25 år, fysikingeniør
Det kræver et bombardement af elektroner, når Filippo Cavalca undersøger, hvordan forskellige materialer reagerer på lys. Bombardementet finder sted i et elektronmikroskop, hvor elektroner skydes gennem en nano-tynd prøve af et materiale. Oplysninger om elektronernes vej gennem materialet bruges til at lave et billede af materialets struktur og afslører samtidig, hvilke egenskaber det har. Problemet er bare, at der er kulsort i det indre af et elektronmikroskop, og Filippo vil gerne lyse på sine prøver, mens han måler på dem. Det er helt ny forskning, og kun få i verden har prøvet det før ham.
Filippo har udviklet en særlig prøveholder, som kan skinne lys på prøven, mens den bliver analyseret. Filippo har netop skudt de første forsøg i gang og håber, at hans resultater afslører, præcis hvordan lys påvirker strukturen af materialerne. Det er et altafgørende spørgsmål, når man forsker i at indfange solens stråler.
Den perfekte kombination Top
Ask Hjorth Larsen, ph.d.-studerende, 27 år, civilingeniør
Hvordan finder en kok den perfekte madopskrift, når ingredienserne kan kombineres på milliarder af måder? Han smager sig frem og finjusterer opskriften en smule hver gang. Sådan gør Ask Hjorth Larsen også, når han jagter det perfekte materiale til at fange solens stråler.
Den kemiske sammensætning afgør et materiales egenskaber, for eksempel hvor meget sollys det kan optage. Men atomer kan sammensættes på milliarder af måder, så ikke engang DTU’s supercomputer er i stand til at afprøve alle kombinationerne.
Ask vil derfor udvikle en metode til at forudsige den bedste kombination ud fra de egenskaber, materialet skal have. Rent praktisk giver han computeren en start-opskrift som han gradvist forbedrer og finjusterer ud fra resultaterne. Hvis metoden lykkes, vil forskerne i båndgab-gruppen kunne beregne, hvordan et materiale præcist skal sammensættes for at opnå helt specifikke båndgabs-egenskaber. De vil derved komme et skridt nærmere på at fange solens stråler.
En ægte lagkageforsker Top
Alan Kleiman-Shwarsctein, postdoc, 32 år, materialeforsker
Lagkager i nanostørrelse. Så appetitlig lyder Alan Kleiman-Shwarscteins forskning. Men i stedet for kagebund, flødeskum og syltetøj er ingredienserne metaloxider. Alans nano-tynde lagkager mætter måske ikke meget, men opskrifterne på metaloxider er en vigtig del af forskningen i CASE. I fotokatalyse-gruppen bruges metaloxiderne til at spalte vand til ilt og brint, mens båndgab-gruppen undersøger, hvor meget lys materialerne absorberer.
Selvom Alans konditordrøm stadig er på et tidligt stadie, er der masser af håb at spore hos den unge forsker.
- De sidste 40 år er mennesket blevet i stand til at lave mindre og finere materialer, end man nogensinde troede muligt. Selvom det vil tage generationer at blive rigtig god til at udvinde solens stråler, tror jeg, det vil ske i min levetid, fortæller Alan.
Ikke helt normalt arbejdstøj Top
Thomas Pedersen, postdoc, 30 år, civilingeniør
Anders Bo Laursen, ph.d.-studerende, 26 år, kemiingeniør
Thomas Pedersen er ikke den store fan af smølfer, men alligevel trækker han hver morgen i en blå dragt, der dækker ham fra top til tå. Med kun ansigtet frit, træder Thomas derefter ind i DTU’s reneste rum for at lave mikroskopiske søjler og pyramider.
  |
|
Thomas med blå dragt i renrummet og Anders klædt i laboratoriekittel. |
Når materialer formes som søjler eller pyramider bliver de bedre til at optage sollys, og det er smart, når man vil fange flest muligt af solens stråler. De pudsige former, som Thomas skaber, forbedrer også materialets kontakt til det omkringliggende vand, der skal spaltes til ilt og brint.
En rigtig effektiv spaltning af vand kræver ofte et fint lag af nanopartikler uden på søjlerne eller pyramiderne. Sådanne nanomaterialer er Anders Bo Laursen mester i at skabe. Han former både terninger, rør og spiraler af nanopartikler, men nøjes dog med at have en hvid kittel på, når han arbejder.
- Formen afgør for eksempel, hvor mange kanter materialet har, og det er vigtigt, fordi reaktionerne sker på kanterne, forklarer Anders.
 |
| Fra venstre: Nanowires, nanorør og nanokugle afbilledet af et elektronmikroskop. |
Både Thomas og Anders arbejder med materialer, der er usynlige for det blotte øje, nogle helt ned til en milliardtedel af en meter. Derfor bruger de to forskere avancerede mikroskoper til at kigge materialerne efter i hjørnerne.
- Nogle gange ser de ud, som de skal, andre gange må man på den igen, fortæller både Anders og Thomas, som begge er del af fotokatalyse-gruppen og båndgab-gruppen i CASE.