Fra ubrugeligt jordnøddeaffald til eftertragtede højteknologiske råmaterialer
Australske forskere har demonstreret, at simple jordnøddeskaller kan forvandles til grafen — et meget efterspurgt, men dyrt nanomateriale. Med en lynhurtig og kemisk ren metode udvinder de en højkvalitets råvare fra landbrugsaffald til en energipris, der hidtil har virket utænkelig.
Hvert år opstår der globalt mere end 10 millioner ton jordnøddeskaller. De hober sig op hos forarbejdningsvirksomheder, ender på lossepladser eller finder vej til lavværdi-anvendelser som kompost og strøelse. Økonomisk set giver det næsten ingen afkast.
Men netop i dette restprodukt ser forskere fra University of New South Wales (UNSW) i Australien en uventet guldgrube. Skallernes vægge består overvejende af lignin — et naturligt polymere, der er rigt på kulstof. Og kulstof er præcis det byggemateriale, som grafen er opbygget af.
Hvor bønder i dag betaler for at komme af med skallerne, kan den samme strøm af affald blive til råmateriale til batterier, elektronik og medicinske sensorer.
Idéen om at omdanne biomasse til grafen har cirkuleret i forskerverdenen et stykke tid. Tidligere forsøg resulterede dog ofte i et materiale med mange fejl i strukturen, hvilket betød, at grafenets unikke egenskaber delvist gik tabt. Det australske hold under ledelse af maskiningeniør Guan Yeoh siger nu, at de har løst en stor del af dette problem.
Sådan fungerer processen i praksis
To varmeblitz — ingen kemikalier
Metoden består af to successive opvarmningsfaser, begge baseret på elektrisk opvarmning via det såkaldte Joule-princip.
- Trin 1: finmalede jordnøddeskaller opvarmes indirekte til cirka 500 grader Celsius i omtrent fem minutter;
- Trin 2: det tilbageværende kulstofrige materiale udsættes for en ekstremt kort varmepuls på over 3.000 grader Celsius.
I det første trin forsvinder ilt, brint og andre urenheder. Tilbage er noget, der minder om trækul, rigt på aromatiske ringe — velorganiserede kulstofstrukturer, der allerede nærmer sig grafenets opbygning.
Derefter følger det egentlige højdepunkt. Under den såkaldte flash Joule-opvarmning skyder temperaturen i blot nogle få millisekunder så højt op, at kulstofatomerne omarrangerer sig. De danner tynde grafenlag, der er sammenlignelige med det materiale, som normalt kræver langt dyrere og kemisk intensive teknikker at fremstille.
Fra malet skal til grafenlag på omtrent ti minutter — uden en dråbe opløsningsmiddel eller aggressive kemikalier.
Ifølge Yeoh er den første, relativt milde opvarmningsrunde afgørende. Uden denne forbehandling ender slutproduktet med flere fejl i gitterstrukturen, hvilket svækker de elektriske og mekaniske egenskaber. Kvaliteten af det mellemliggende trækullignende materiale er altså med til at bestemme, hvor godt det endelige grafen bliver.
Flash Joule-opvarmning i oversigt
| Trin | Temperatur | Varighed | Formål |
|---|---|---|---|
| Foropvarmning | ca. 500 °C | ± 5 minutter | Fjernelse af ilt, brint og urenheder |
| Flash-opvarmning | > 3.000 °C | millisekunder | Omarrangering af kulstofatomer til grafenlag |
Hvilken type grafen kommer der ud af jordnøddeskaller?
Forskerne beskriver det producerede materiale som såkaldt turbostratisk grafen. Det består ikke af ét perfekt fladt atomlag, men af flere lag, der er stablet uregelmæssigt ovenpå hinanden i stedet for at ligge præcist i samme retning.
For mange industrielle anvendelser udgør det ingen hindring — tværtimod. Flere let forskudte lag kan have praktiske fordele, for eksempel ved indblanding i kompositmaterialer eller ved anvendelse i batterielektroder.
Anvendelser, som forskerne mener dette grafentype egner sig godt til:
- anoder og ledere i batterier og superkondensatorer;
- ledende lag i solpaneler og fleksibel elektronik;
- touchscreens og gennemsigtige ledende belægninger;
- sensorsystemer til medicinsk overvågning eller miljømålinger;
- forstærkningsfyldstof i letvægtskompositplast.
Til ekstremt præcise laboratorieeksperimenter er ultrapurt enkeltlags grafen stadig nødvendigt — men til hverdagens elektronik er dette "ufuldkomne" grafen mere end tilstrækkeligt.
Prisbryder: grafen for lidt mere end én krone i energi per kilo
Et af de mest bemærkelsesværdige aspekter er de estimerede energiomkostninger. Baseret på deres beregninger siger forskerne, at et kilo grafen fremstillet med denne metode kun kræver energi svarende til cirka 1,30 amerikanske dollar — omregnet omtrent 9 danske kroner.
Til sammenligning kræver traditionelle produktionsmetoder som kemisk dampdeposition eller grafitoxidation efterfulgt af reduktion mange trin, dyre anlæg og ofte giftige kemikalier. Det gør grafen til et nicheprodukt forbeholdt forskningsprojekter og højt specialiserede anvendelser.
Hvis den australske tilgang forbliver lige så effektiv i større skala, kan prisen per kilo grafen falde til et niveau, der er interessant for masseproduktion. Tænk på store mængder ledende materiale til batterier i elbiler, billige sensorer til logistik eller smart emballage samt overkommelige letvægtsmaterialer til luftfarten.
Fra laboratorium til fabrikshal: realistiske ambitioner eller fremtidsmusik?
Forskerne ser tydeligt ikke deres arbejde som et slutpunkt. I laboratoriet fungerer processen i lille skala, men springet til industriel produktion kræver nye anlæg, løbende kvalitetskontrol og en pålidelig tilstrømning af egnet biomasse.
Holdet forventer inden for tre til fire år at kunne præsentere en første industriel prototype. For at nå dertil skal de blandt andet:
- opskalere varmesystemet uden energitab;
- sikre en kontinuerlig strøm af finmalede og tørrede skaller;
- effektivt udtage og emballere grafenet fra reaktoren;
- udvikle påviselige demonstrationsprodukter som battericeller eller sensorer.
Bemærkelsesværdigt nok stopper interessen ikke ved jordnøddeskaller. Forskerne tester lignende processer på kaffegrums og bananskaller, begge ligeledes rige på lignin og kulstof. Landbrugsregioner med store mængder kaffe- eller frugtaffald vil på den måde kunne opgradere deres reststrømme til højteknologiske råmaterialer.
Hvad betyder dette for bønder, industri og miljø?
Ny indkomstkilde for landbrugsområder
Hvis teknologien virkelig slår igennem, kan landbrugsaffald få reel finansiel værdi. Jordnøddedyrkere og forarbejdningsvirksomheder vil kunne indgå kontrakter med grafen-producenter, der har behov for en konstant biomasse-tilstrømning. Det kan skabe ekstra indkomst i regioner, hvor marginerne på råvarer er lave.
For lande, hvor jordnødder, kaffe eller bananer udgør vigtige eksportafgrøder — som dele af Afrika, Sydamerika og Asien — åbner det døren til lokal materialeindustri. I stedet for udelukkende at sende rå landbrugsprodukter afsted, kan de delvist bearbejdede råmaterialer leveres til den globale højteknologiske forsyningskæde.
Mindre pres på fossile råvarer og kemisk industri
Processen bruger hverken opløsningsmidler eller giftige reagenser. Det reducerer risikoen for kemisk affald og kompliceret vandrensning. Samtidig forskydes råvaregrundlaget fra fossilt kulstof — olie og naturgas — til biobaseret kulstof fra planterester.
Den samlede klimapåvirkning afhænger naturligvis af, hvorfra elektriciteten til varmepulserne stammer. I kombination med et grønt elnet kan CO₂-aftrykket fra grafen på sigt reduceres betydeligt — noget der spiller en stadig større rolle for producenter, ikke mindst i takt med at lovgivningen strammes.
Ekstra baggrund: hvad gør grafen så særligt?
Grafen er et enkelt lag kulstofatomer arrangeret i et bikageagtigt gitter. På trods af sin ekstreme tyndhed er det usædvanligt stærkt, glimrende ledende og ultralet. I praksis anvendes det ofte som flager eller tynde lag, der blandes ind i eksisterende materialer.
Nogle af de egenskaber, der gør materialet attraktivt:
- meget høj elektrisk ledningsevne, nyttig til elektroder og print;
- høj termisk ledningsevne, anvendelig til varmeafledning i elektronik;
- stor mekanisk styrke ved lav vægt;
- stort overfladeareal pr. gram, vigtigt for batterier og katalyse;
- mulighed for at tilpasse egenskaber via lagstykkelse og struktur.
På grund af høje produktionsomkostninger og besværlig fremstilling har grafen hidtil ikke levet op til de forventninger, der opstod i hype-året omkring 2010. En produktionsvej via billig biomasse kan ændre dette billede og bringe anvendelserne tættere på forbrugeren.
Hvad kan dette betyde for hverdagsprodukter fremover?
Når teknologien er moden til masseproduktion, kan grafen dukke op næsten ubemærket i mange produkter. Tænk på batterier, der oplader hurtigere, sensorer i tøj eller sportsudstyr, eller lettere komponenter i biler og droner. For brugeren er det næsten usynligt — innovationen gemmer sig i materialets lag.
For husholdninger kan affaldssortering på sigt få øget værdi. Så snart virksomheder begynder at betale seriøst for specifikke reststrømme som jordnøddeskaller eller kaffegrums, opstår der lokale indsamlingssystemer. Det, der i dag føles som ligegyldigt køkkenaffald, kan bogstaveligt talt blive råmaterialet til næste generations elektronik.
