Lys framtid med alger

Algeskall er perfekt bygget for å utnytte sollys. Det kan gi oss effektive og billige solceller.

Publisert
Kiselalgen Coscinodiscus wailesii har skall som er bygget i flere lag silika. Porer og mønstre danner sylindre som tar opp alt lys uten å slippe noe ut igjen. (Foto: Anita Fossdal/Sintef)
Kiselalgen Coscinodiscus wailesii har skall som er bygget i flere lag silika. Porer og mønstre danner sylindre som tar opp alt lys uten å slippe noe ut igjen. (Foto: Anita Fossdal/Sintef)

Bitte små alger vugges nennsomt i vann på store plastflasker. Noen er så store at vi kan ser dem med det blotte øye, andre er for små. Vannet bobler lystig i tynne plastslanger. I noen av flaskene er vannet blankt, i andre gult eller grønt.

Vi er på et laboratorium på NTNU, og her går forskere rundt og pusler med de små organismene: mater dem, undersøker dem og sørger for at de har det bra.

Hvorfor i all verden? Jo, fordi de små og uanselige algene kan vise seg å bli både modeller og råmateriale for framtidens solceller. Svaret på vårt behov for ren og billig energi ligger muligens og dupper i havet – fritt og lett tilgjengelig.

Verdensmestre i lys

Alger kan være alt fra encellede arter til tang på flere meter. Av 200 familier og 100 000 arter lever de fleste i saltvann, mange i ferskvann og noen på land. Alger utgjør størstedelen av jordas biomasse.

Akkurat som hos planter, er algene avhengige av fotosyntesen – den prosessen som bruker energi fra sollys til å omdanne karbondioksid til organiske forbindelser.

Alger er naturens mest vellykkede organisme når det gjelder å utnytte sollyset, betydelig mer effektive enn dagens silisiumsolceller som i beste fall kan utnytte omtrent 30 prosent av sollyset. Resten blir reflektert tilbake eller skaper overskuddsvarme. Silisiumsolcellene er dessuten dyre å produsere.

En god og effektiv solcelle bør ha en overflate som slipper mye – helst alt – lys inn, og et effektivt antirefleksjonslag som sørger for at lyset ikke forsvinner ut igjen. Nøyaktig slik algen gjør det.

– Vi tror det blir mulig å lage solceller som utnytter sollyset like godt som algene gjør, sier forsker Gabriella Tranell.

Hun leder et prosjekt der materialteknologer, bioteknologer, biologer og kjemikere ved NTNU og Sintef samarbeider om å avlure algenes deres hemmeligheter.

Vidunderskall

Hemmelighetene ligger i skallet. Og de encellede kiselalgene er blant de algene som har det mest egnede skallet. Det er av glass med små porer og symmetriske, men kompliserte, mønstre der lyset strømmer inn til den lille organismen – uten å slippe ut igjen.

Skallene bygges innenfra ved at algene tar opp silisiumioner fra havvannet. Kiselalgeskallene varierer i størrelse fra noen få til flere hundre mikrometer i diameter.

Porene er fra 10 til 50 nanometer store. Noen av lagene i det lille skallet blir holdt sammen av sekskantede sylindre med veldig lette og tynne vegger. Denne formen er kjent fra bikubene, og vi vet at den er sterk.

– Biologene har flere hypoteser om hvorfor og hvordan algene bygger skallene innenfra på den måten de gjør det. Algene kan kanskje forbedre absorbsjonen av sollys; de skal flyte godt; skallene gjør dem stabile i vannet; de får bestemte mekaniske egenskaper; de kan lett feste seg på ting, forklarer Tranell.

– Sannsynligvis er dette sammensatt. Algeskall er uansett funksjonelle. Næringsstoffer i havet blir transportert inn gjennom porene.

– Samtidig er porene så små og dessuten beskyttet av en membran slik at skitt og lort ikke kommer inn til organismen, sier Tranell.

Gullkopier

Kiselalgene omfatter om lag 10 000 arter. Forskerne er i første omgang interessert i noen bestemte arter for å finne den beste og ønskede strukturen i skallet.

De har staselige navn som Thalassiosira pseudonana, Chaetoceros muelleri, Pinnularia sp. og Coscinodiscus wailesii. Den siste har vist seg å være en meget god alge på grunn av skallstrukturen, men den er også vanskelig å dyrke.

Forskerne bruker nanoteknologi for å kopiere naturlige algeskall med optimal struktur, det vil si de rette optiske egenskapene. Skallmodellene kan lages i ulike materialer, deriblant edle metaller.

Gull er et fleksibelt materiale og velegnet for å lage støpeformer av algeskallene. En klump med gull får strøm fra en elektronstråle. Varmen får gullet til å dampe, og gullatomer legger seg i en tynn film på overflaten til skallene.

Med en kobbertape trekkes gullfilmen av. Forskerne har nå et negativ av algeskallene, et gullreplikat.

Datasimulering

– Gullreplikatene er våre modeller som blir testet og simulert med optisk programvare i datamaskiner. Simuleringen beskriver virkeligheten godt. Resultatene vi har fra simuleringen, er derfor lovende, forteller Tranell.

Simuleringen varierer strukturen på skallene, det vil si størrelsen på porene og formen på de ulike lagene og bestanddelene. Simuleringen skal beskrive naturens symmetri, seks-kantformen og andre mønstre.

Da må forskerne blant annet vite hvordan lyset brytes og hva slags vinkler lyset går i. Skallstrukturen bestemmer så hvordan lyset blir reflektert og utnyttet inne i skallet.

Det er også mulig å konstruere en perfekt modell og deretter lete for å finne modellen hos naturlige alger. Forskerne vil prøve på det senere.

For å finne alger som kan egne seg til bruk i nanoteknologi og materiale til solceller, gransket forskerne litteraturen til 1800-tallets britiske gentlemen. Adelsmenn med tid og midler viet seg til forskning og var særlig fascinert av alger, som de klassifiserte i tykke bokverk.

Her fant dagens forskere flere typer alger med ulike skallstrukturer som kan være aktuelle.

Selvorganisering

En av de interessante utfordringene forskerne har, er å organisere algeskall til å ligge samme vei på en overflate. For å få til dette må de manipulere skallene.

– Poenget er å utnytte den rike og komplekse nanostrukturen i skallene fullt ut. Med organisering menes at hele overflaten som algeskallene ligger på, er dekket av skall uten at skallene overlapper hverandre, forklarer materialteknolog Julien Romann.

Men først blir algene vasket i syre som fjerner alt organisk materiale. Syrevasking kan også brukes bevisst for å endre mønstre og strukturer i skallene.

Romann forteller at en god metode for å få et jevnt og enkelt lag med helt rene algeskall på en overflate er å skape tiltrekning mellom skallene og overflaten. Algeskall av silisium er litt negativt ladet.

Når overflaten de skal ligge på, lades litt positivt, oppstår statisk elektrisitet som gir god interaksjon mellom skallene og overflaten. Metoden er teoretisk lovende, og forskerne starter med testing nå.

En annen metode er å bruke væske. Vann og kloroform er en god kombinasjon. Kloroform er tettere enn vann og de to væskene blander seg ikke. Vann legger seg øverst.

– Tyngdekraften gjør at algeskallene vil synke litt i vannet. Så sedimenteres skallene, samler seg, før de når grensesnittet mellom vann og kloroform. En tett film av algeskall dannes naturlig og kan legges på en positivt ladet overflate som er klargjort på forhånd, forklarer Romann.

Kravstore alger

Bioteknolog Matilde Skogen Chauton prøver seg fram med ulike blandinger av silikat, karbondioksid (CO2), nitrogen, fosfor, sink, vitaminer og sporstoffer. (Foto: Geir Mogen)
Bioteknolog Matilde Skogen Chauton prøver seg fram med ulike blandinger av silikat, karbondioksid (CO2), nitrogen, fosfor, sink, vitaminer og sporstoffer. (Foto: Geir Mogen)

Bioteknolog Matilde Skogen Chauton arbeider på laboratoriet som dyrker alger og sier at det er energikrevende for algen å bygge det komplekse skallet.

– Skallet må være lett, slik at algen ikke synker nedover i havet. Samtidig må skallet være sterkt nok til å beskytte mot beiting og vannets bevegelse.

Algeskall kan sammenlignes med samme type glass som laboratorieglassene våre, som tåler varme og kjemikalier, sier hun.

Kiselalger må ha silikat for å bygge skall. Silikat er en kjemisk forbindelse mellom silisium og andre grunnstoffer. Algene tar opp silikat og et annet særlig hensiktsmessig stoff på nesten samme måte, nemlig titanoksid.

Titanoksid er transparent og har gode ledende egenskaper. Tynne lag titanoksid i solcellen kan derfor forbedre effektiviteten.

– Vi får algene til å ta opp titan i skallene når vi tilsetter titan samtidig som vi «sultefôrer» algene på silikat, sier Chauton.

Enorme mengder havvann skal til for å få nok alger til solcelleproduksjon. Varierende biologisk aktivitet i havet gjør dessuten naturlig sjøvann ustabilt å jobbe med. Et alternativ er å bruke vanlig akvariesalt tilsatt destillert vann.

Så prøver forskerne seg fram med ulike blandinger av næringsstoffer til algene, for på den måten å styre algenes byggeaktivitet: karbondioksid, nitrogen, fosfor, sink, vitaminer og sporstoffer.

– Noen algetyper er kravstore. Andre er ikke fullt så kravstore. Vi kan naturligvis ikke ta på og føle algene, men de er forskjellige, sier Chauton.

Men når?

Når kan vi begynne å produsere solceller med algeskall og nanoteknologi? Gabriella Tranell er forsiktig med å spå, men har tro på naturens smarte løsninger.

– Om ti år er solceller annerledes enn i dag, både i design og materialer. Jeg tror vi lager solceller etter kopier av biologiske strukturer. Vi må tenke nytt når vi skal utvinne ren og lønnsom energi.

– Solcellepaneler er nå konstruert slik at de flytter seg jevnt etter sola som går over himmelen, fra øst til vest. Men kanskje vi bør se på hvordan bladene på trærne er: ikke symmetrisk rettet etter lyset til enhver tid, men vendt i litt ulike retninger.

– Vi ser at det blir mer og mer aktuelt å imitere naturen, å lære hvordan naturen har gjort det for å være funksjonell.