Coca Cola-driven mobil

Satte morgonkaffet i halsen nyligen när jag för ett ögonblick trodde att vi blivit fet-scoopade av Nokia. Massor av artiklar dök upp på nätet på temat: Nokiamobil driven av Coca Cola. Vi jobbar just på biobränsleceller som skall kunna drivas av t.ex. socker som i Cola och andra söta drycker. Det vore inte så skoj om det redan fanns en fungerande protoyp för vad vi jobbar på, då skull vi kunna packa ihop och söka annat jobb.

Men även utan att veta något bränsleceller eller enzym kan man snabbt ana att något inte står rätt till. Alla artiklar använder samma bilder. Alla artiklar tar upp Coca-Cola trots att vilken sockerhaltig vätska som helst skulle fungera. Det visar sig snart att det hela är ett pr-stunt av den unga kinesiska designern Daizi Zheng. Först sökte jag - insnöad som jag är, på hennes namn i Google Scholar, jag kände inte igen namnet som någon biobränslecellforskare, men hon är alltså designer.

Men vad är det som gör att en sådan telefon inte finns på marknaden ännu? Principen för hur den skulle kunna fungera visas pedagogiskt i en bild från Daily Mail (nedan).

I en biobränslecell används enzym, istället för t.ex. platina som är vanligast i normala bränsleceller,  för oxidera sockret i "bränslet" vilket ger ett överskott av elektroner, ström. Ett annat enzym används för att reducera syre till vatten. Det räcker nämligen inte med att skapa elektroner, man måste även göra sig av med dem för att kunna utnyttja energin. Enzymen har många fördelar, som lägre aktiveringspänning och att det är förnybara, till skillnad från platina. Men det är även med enzymen man har bekymmer. De är inte särskilt stabila - om de kan fungera i ett par dagar till någon vecka har man ett bra enzym. Det är också svårt att få kontakt mellan dem och elektroderna - vilket är det jag forskar om. Så än så länge är det en snygg design av en produkt som inte fungerar.

För övrigt verkar vare sig Zheng eller Daily Mail veta så mycket om biobränsleceller. Mail har tagit sin bild från en modell av en normal bränslecell, där katalysatorn, platina, kan katalysera både bränsleoxidationen och syrereduktionen. Det gör det nödvändigt att separera anod- och katodhalvorna med ett membran, som i bilden. Enzym är mer specifika; de katalyserar bara en viss, eller ett litet fåtal, reaktioner. Man behöver alltså inte två separata avdelningar. En stor fördel med biobränsleceller. Zheng menar att de enda restprodukterna är vatten och syre. Det är inte sant. Det beror förvisso precis vilka enzym och reaktioner som används, men typiskt så oxideras druvsocker, glukos, till glukonolakton och syre konsumeras för att reduceras till vatten. Restprodukterna är alltså glukonolakton och vatten och troligen en del väteperoxid.

För övrigt funderar jag också, givet att alla andra problem var lösta, över det lämpliga i att använda Coca Cola som bränsle. Cola innehåller ju massor av annat gegg än bara vatten och socker, som är de eftersökta ämnena, som färgämnen, koffein och annat som kan inverka på funktionen hos bränslecellen. Sedan innehåller den en blandning av de två sockerarterna glukos och fruktos. Beroende på enzym skulle bara en av dem vara användbar åt gången om man inte konstruerar en mer avancerad cell med flera enzym. Fast den allvarligaste invändningen mot att använda Cola är att det är för surt. Coca Cola, och liknande drycker, innehåller citron- och fosforsyra för att reglera surhetsgraden som ligger så lågt som ett pH på 2,5. I så sura miljöer fungerar de flesta enzym för sockerkatalys väldigt dåligt. Det skulle effektivt ta död på telefonen att hälla Cola i bränsletanken.

Andra bloggar om: bränsleceller, biobränsle, grön energi, Nokia, Coca Cola, Daizi Zheng, vetenskap, forskning, design. Intressant?

Gör en miljöinsats - Drick kaffe!

Att dricka kaffe och bättra på sitt miljösamvete på en och samma gång, kan det vara något kanske? Och nej, det handlar inte alls om rättvisemärkta eller ekologiska produkter, utan om vad som händer med den kaffesump som oundvikligen blir kvar efter att du njutit av din Java.

Kompostmaterial är förstås ett alternativ, men enligt en artikel som snart kommer ut i Journal of Agricultural and Food Chemistry finns ett annat, intressantare användningsområde för kaffesumpen, i form av biodiesel.

Kaffesump innehåller ca 15% olja, och denna olja kan konverteras till biodiesel. Det når inte riktigt upp till oljeinnehållet i tex raps (37-50%) eller sojabönsolja (20%) men med tanke på att världen konsumerar drygt 7 miljoner ton kaffe om året så kan det likväl bidra med en signifkant andel biodiesel. Särskilt som den höga halten antioxidanter i kaffet bidrar till att göra kaffebiodiesel mer stabil än den som är framställd från andra källor. Dessutom menar artikelförfattarna att det som blir över av kaffesumpen efter dieselproudktionen kan användas antingen för etanolproduktion eller pressas till bränslepellets.

I tabellen där författarna listar fördelar och nackdelar tar de för övrigt också upp det faktum att medan kaffebiodiesel sprider en angenäm doft.

Dock får man anta att det krävs ett par upprepningar av studien, så att man vet säkert att det inte bara är kaffesump från Starbucks i Reno, Nevada som det år att göra biobränsle av.

Referens:
Kondamudi et. al. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2008, asap. DOI 10.1021/jf802487s

Det n:te landet

I diskussionen till posten om förnyelsebar energi dök frågan upp om kärnkraftens säkerhetspolitiska aspekter. Johan kommenterar

Jag tycker den säkerhetspolitiska biten är enormt överdriven, redan idag kan i princip vilket land som helst bygga kärnvapen ifall de verkligen vill.

En intressant fråga i detta fall är hur svårt det egentligen är att konstruera ett fungerade kärnvapen. Det är en fråga som varit aktuell ända sedan kärnvapenåldern började. Och det är en fråga som besvarades redan 1964 i ett projekt som kallades för "the nth country experiment". Svaret är att det inte är särskilt svårt alls.

I nte landet lyckade tre post docar i fysik, utan någon erfarenhet av kärnteknik, på mindre än tre år konstruera en fungerande plutoniumbomb användande endast offentliga källor för research. De antogs ha tillgång till finmekansik verkstad och sprängämnes expertis, men istället för att faktiskt testa deras design så lämnade de sina förslag till de riktiga vapendesignarna på Los Alamos som räknade ut hur ett test skulle gå.

The bomb had been run through the computers and the brains of the bomb designers—it would explode, it would wipe out a city, it would kill tens of thousands, or hundreds of thousands, of people.

Det hela finns beskrivet i en mycket läsvärd artikel från 2003 i The Bulletin of the Atomic Scientist (tidskriften med den berömda domedagsklockan).*

Den enda svårigheten, kommer man fram till, är i princip att få tag på själva plutoniet av tillräckligt hög renhet. Och det är här, inte i spridandet av kärnteknik, som, enligt min mening, den viktigaste säkerhetsaspekten av kärnkraften som energikälla kommer in. Som Johan påpekar

En "omväg" runt civil kärnteknik för att bygga vapen är både ologiskt, komplicerad och väldigt dyrt ifall det bara är vapen man vill ha.

Men med ökad användning av kärnkraft kommer allt större mängder kärnmaterial att finnas tillgängligt, och det blir allt svårare att hålla koll på allt. Tyvärr är det inte orimligt att en motiverad grupp av typ al-Qaida skulle klara av att bygga en bomb bara de hade tillgång till tillräckliga mängder vapenplutonium (eller uran för den delen).

Men, det är också ett problem som blir mindre med nya typer av reaktorer som ger små eller inga mängder material som går att använda till vapen. Men tills dessa kommer i användning är en restriktiv politik när det gäller kärnbränsle fortfarande nödvändig. Och fortfarande är nog den största faran det material som redan finns i stora mängder i kärnvapenländer som Ryssland. Och vem vet vad nästa Khan-nätverk säljer till vem.

* Artikel är tyvärr gömd bakom en betalvägg, men den som är intresserad kan jag skicka en pdf.

Andra bloggar om: kärnvapen, kärnkraft, vetenskap. Intressant?

Förnybar energi I: Behövs den?

Under 2001 uppgick jordens sammanlagda energiförbrukning till ca 425 × 10¹⁸ J, eller om man föredrar effektmåttet, till ca 13.2 TW. År 2050 beräknas* den siffran vara minst 27 TW. Det är alltså en fördubbling på 50 år. Och det ger anledning att fundera på hur det egentligen ser ut med dagens energiikonsumtion, och framför allt med befintliga energireserver och resurser.

De 13.2 TW kom främst från olja, kol och gas. Biomassa kommer som en klar fyra och kärnkraften blir femma. Vattenkraft och förnybara energikällor svarade för ca 0.29 TW vardera. Men intressantare än hur stor andel de olika energislagen står för är hur mycket det egentligen kostar att producera el från dessa energislag. Kol är klart billigast, el från solenergi är minst 5 gånger dyrare än så. Förnybar energi från solen är alltså inte på något sätt konkurrenskraftig. (2001 års siffror, baserade på situationen i USA.)

Med det konstaterat undrar man ju hur det egentligen ser ut med tillgångarna. Hur ska vi möta ett ökat energibehov? Det pratas ju ibland om att vi skulle ha nått "peak oil", det vill säga att toppen i oljeproduktionen skulle vara nådd och att den härifrån bara kommer att minska. Och "peak oils" ffrämste företrädare i Sverige, Kjell Aleklett, brukar hävda att mer kärnkraft är lösningen på problemen. Och kanske det, om vi är sugna på att ta konsekvenserna av att bygga ett nytt 1GW-kraftverk varannan dag eller så, de närmaste 45 åren, med allt vad det innebär i form av miljökonsekvenser av uranbrytning och säkerhetspolitiska aspekter. Och det är förstås i slutänden också en fråga om för hur lång tid vi har bränsle till dessa kärnkraftverk. Och man kan förstås betraktra fusionstekniken som ett alternativ, men för tillfället finns tekniken inte där för storskalig energiproduktion.

Olja och kol då? Oavsett hur det är med peak oil så kan man konstatera att oljereserverna beräknas räcka någonstans mellan 40 och 75 år. Räknar man också in det som kallas resurser så finns det kanske olja för ytterligare 50-150 år (det är då inkluderat både "konventionella" och "okonventionella" resurser och reserver.) Motsvarande siffror för gas är ca 60-170 år respektive 200-600 år. Men det intressantaste energislaget här måste ändå vara kol. Det är inte bara billigast, och det är också det vi har mest av. Åtminstone en 220 år konventionella reserver, och om man räknar in resursbasen finns det nog för att försörja oss med energi i ca 2000 år till.

Och med de siffrorna kan man fråga sig om vi verkligen behöver satsa på några förnybara energislag?

Svaret beror förstås helt på vilken synvinkel man ser det ifrån. Kolet kommer inte att ta slut inom överskådlig tid, så ur den synvinkeln är svaret nej. Å andra sidan skulle det innebära en energiproduktion som är helt baserad på ett fossilt bränsle. Och för alla oss som tror, misstänker eller i alla fall tycker att försiktighetsprincipen är ett rimligt förhållningssätt i frågan om antropogen växthuseffekt finns det likväl all anledning att komma till slutsatsen att vi behöver satsa på förnybar energi.

Varför man inte bör avfärda tanken på en mänskligt orsakad global uppvärmning kommer det mer om i nästa del av den här miniserien. Och med tiden kommer jag också att redogöra för varför jag anser det rimligt att forska på solenergi även om den i dagsläget inte alls tycks kompetitiv.


Referenser:
N.S. Lewis, D.G. Nocera, Powering the planet, PNAS, 2006, 103, 15729-15735
World energy assessment , UNDP, 2000
prof N.S. Lewis, muntligt meddelat
http://nsl.caltech.edu/energy.html

*Det finns många olika faktorer att ta hänsyn till den när den siffran beräknas, som befolkningsutveckling, uppskattad ekonomisk tillväxt, möjliga energieffektiviseringar etc. De 27TW som presenteras här är en konservativ uppskattning som ligger lägre än "business as usual"-scenariot. Enligt tex UNDP-rapporten "World energy assessment" kan det mycket väl handla om betydligt högre energikonsumtion än de siffror som nämns här.

Sunt förnuft på väg?

I juli publicerades en rapport med titeln "On the road in 2035: Reducing transportation's petroleum consumption and GHG emissions" (GHG=green house gas).

Rapporten är en summering av ett treårigt forskningsprojekt vars mål var att analysera nya fordon och bränslen för minskad bränsleförbrukning och växthusgasutsläpp, som kan utvecklas och kommersialiseras under de närmaste 25 åren. Forskningen är utförd på ett av USA:s toppuniversitet, MIT. Man har fokuserat forskningen på USA, och kunnat slå fast att det är möjligt att reducera bränslekonsumtionen med 30-50% de närmaste 30 åren. Fast det finns en hake. Eller två.

Dels behövs effektivare motorer, men framför allt krävs att amerikaner slutar älska (eller i alla fall använda) bensinslukande bilar.

Någon som är förvånad?

På något sätt känns det som om det inte krävs en MIT-forskare, eller ens en forskare, för att konstatera det. Det räcker med vetskap om vilka vidunder till bilar som rullar på amerikanska vägar och förmågan att kombinera denna vetskap med en liten smula alldeles vanligt sunt förnuft. (Det säger något att den minsta bil man kan få på en amerikansk biluthyrning är minst två storlekar större än det minsta du kan få i Sverige.) Det finns inte nödvändigtvis en korrelation mellan universitetets ranking och nyhetsvärdet i deras forskning.

Referens:
Fueling our Transportation Future

"Nano" till allmän nytta?

Det är ganska inne att göra saker som är "nano" nu, i forskarvärlden. Det är saker som nanopartiklar, kolnanorör, nanowires, nanoelektronik och en hel massa annat. Det är helt enkelt något av ett modeord, precis som allting skulle vara "bio" för några år sedan. (Och kombinationen "nano" och "bio" är fortfarande rätt stor. Och mer än en forskare har funderat på hur de ska få in ordet nano i sina ansökningar, för att öka chanserna att få anslag). Och även om mycket är mode och inte all forskning som plötsligt kallas "nano" är ny, så finns det många fascinerande forskningsområden inom nanovetenskapen.

Ett exempel är den kemiforskning som sker på Harvarduniversitetet. Charles M. Lieber och hans forskargrupp har bland annat ägnat sig åt sk nanosensorer, som kan uptäcka en enda bakterie eller ett enda virus. Typisk sådan forksning som Department of Homeland Security gillar, eftersom den har tydliga antiterror-tillämpningar.

Det senaste från Lieber och co har dock med elektronik, och solenergiomvandling, att göra. Genom att kombinera kisel med olika elektrisk ledningsförmåga (för nerdar: p-, respektive n-dopad, samt odopad) har de gjort en nanowire med unika egenskaper.

Den kan fungera som en helt vanlig kabel, som leder ström, men den kan också i sg själv fungera som en solcell. Jämfört med andra solceller är den hyfsat effektiv, den omvandlar 3.4%* av solljuset till elektricitet, men framför allt klarar den av höga ljusstyrkor under lång tid. Enligt forskargruppen finns inte heller någon anledning att tro att det inte skulle gå att komma upp i omvanldingseffektiviteter på runt 15%.

Och om man lyckas med det, då har man faktiskt lyckats med något ganska stort, även fast nano i sig själv antyder att det ska vara smått. Den här typen av nanowires är relativt lätta att producera och är jämförelsevis också ganska billiga.

Referens:

Bozhi Tian, Xiaolin Zheng, Thomas J. Kempa, Ying Fang, Nanfang Yu, Guihua Yu, Jinlin Huang, Charles M. Lieber, Nature 449, 885 - 889 (18 Oct 2007): doi:10.1038/nature06181

*Jämfört med de bästa rapporterna för solceller av Grätzeltyp är 3.4% kanske inte så mycket att komma med. Å andra sidan kan historien om hur de högsta värderna för Grätzelsolceller mättes vara värd att berätta här en annan gång. Mer än en erkänd forskare ifrågasätter dem.

Problem med spriten

Det är inte direkt enkelt att få ett grepp över fördelar och nackdelar med etanol som drivmedel. Alltid läsvärde bloggaren Harald Cederlund skrev några intressanta rader om bland annat biobränslen för några dagar sedan. Han har även skrivit ett bra inlägg tidigare om ämnet, där han försöker reda ut begreppen och jag tycker han gör ett bra jobb. Själv blir jag mest förvirrad.

I förra veckan var det en artikel i Science¹ där budskapet var att satsa på att bevara och återskapa naturlig skog och gräsmark istället för att odla marken för biobränslen om man vill minimera växthusgasutsläpp. Och det är ju många andra aspekter av tillvaron som också påverkas och allt är ju inte kol här i världen. Regnskog som försvinner för att odla sockerrör i Brasilien och effekter på marknadspriset på majs är bara ett par konsekvenserna av etanolframställningen.

Själv var jag på ett intressant seminarium nyligen med Bill Parton från Colorado State University, som var medförfattare till en artikel² där man gjorde en livscykelanalys av växthusgasflöden för odling av olika grödor för bioenergi. Parton och kollegor har utvärderat både majs och andra grödor och beräknat hur mycket växthusgaser som avgår i varje led av produktionen. Enligt vissa kritiker av etanol från majs går det åt mer energi för att framställa etanol än vad man får ut av den. Enligt Parton och kompani är det inte riktigt så illa. Att göra etanol av majs minskar växthusgas utsläppen med 40% jämfört med att använda bensin som bränsle. Hirs och hybridpoppel däremot minskar växthusgasutsläppen med mer än 100%, eftersom man binder mer kol i marken med dessa grödor. En sak som var intressant, i alla fall för en markvetare, var den stora effekten av lustgasavgång från framför allt majsodlingar. Något som dessutom är en utmaning att mäta på ett tillförlitligt sätt.

I Sverige är det ju inte majs som gäller för framställning av biobränslen och vi hugger inte ned regnskog för att odla sockerrör, men det är likt förbaskat en riktig snårskog att försöka förstå sig på om etanol som drivmedel för bilar är så miljövänligt som vissa hävdar. Tänk om det kunde vara lite enklare att förstå sig på det här med biobränslen ändå...

1. Righelato R, Spracklen DV (2007) Carbon Mitigation by Biofuels or by Saving and Restoring Forests? Science 317 (5840) : 902
2. Adler, PR, Del Grosso SJ, Parton WJ (2007) Life-cycle assessment of net greenhouse-gas flux for bioenergy cropping systems. Ecological applications 17:675-691.