Fra værdiløst landbrugsaffald til et banebrydende materiale
Forskere har opdaget en uventet skat i helt almindeligt affald, der normalt bare smides direkte i skraldespanden. Et hold af australske eksperter har nu påvist, at millioner af tons kasserede jordnøddeskaller nemt kan forvandles til højkvalitets grafen. Dette nanomateriale betragtes i videnskabelige kredse som et industrielt vidunder, men frem til nu har produktionen været ufatteligt dyr og besværlig. Takket være en klog termisk behandlingsteknik tror fagfolk, at grafen meget snart kan blive lige så udbredt som plastik eller stål.
Hvert eneste år producerer vi på verdensplan over ti millioner tons jordnøddeskaller, som skaber massive mængder affald. Hverken landmænd eller forarbejdningsvirksomheder har typisk nogen reel og praktisk anvendelse for dem. Langt størstedelen af dette restmateriale ender ganske enkelt på lossepladser eller i kompostbunker, hvor dets reelle økonomiske værdi er stort set lig nul.
Kloge hoveder fra det australske University of New South Wales (UNSW) har dog spottet et enormt potentiale i denne ellers unyttige bunke skrald. Jordnøddernes hårde skaller er nemlig spækket med lignin. Dette er en plantepolymer med et ekstremt højt kulstofindhold, og netop kulstof udgør den helt fundamentale byggesten i selve grafen.
Grafen er i bund og grund et ganske enkelt lag af kulstofatomer, som er arrangeret i en flad struktur, der minder stærkt om en bikube. Det udmærker sig ved at være ufatteligt tyndt, er markant stærkere end stål og leder elektrisk strøm langt bedre end kobber. En massiv kommerciel udbredelse har dog længe været bremset af de tårnhøje produktionsomkostninger samt kravet om at benytte skrappe kemikalier i processen.
Den ledende skikkelse bag forskerholdet, Guan Yeoh, påpeger, at denne smarte omdannelse af planteaffald formår at forene økologi med fremstillingen af et sjældent nanomateriale. Samtidig kan den nye banebrydende metode sagtens konkurrere direkte med de klassiske og langt mere bekostelige produktionsprocesser.
To intense varmebølger fastlåser kulstoffet på rette plads
Den innovative australske procedure bygger på en sofistikeret to-trins proces, hvor der sker en lynhurtig og voldsom temperaturstigning. Hele forløbet sættes i gang ved, at de grove jordnøddeskaller males helt ned til et meget fint pulver. Efterfølgende udsættes dette organiske materiale for to korte, men ekstremt intense varmechok.
Første fase: Forbehandling til rent kulstof
I det indledende trin opvarmer eksperterne pulveret indirekte via elektrisk strøm til præcis 500 grader Celsius. Denne intense tilstand fastholdes omhyggeligt i 5 minutter. På blot nogle få øjeblikke fordamper alt overskydende vand, ilt, brint og andre uønskede urenheder væk fra materialet.
Det fascinerende resultat af dette er et specifikt plante-kul, som er fyldt med aromatiske kulstofringe. Disse særlige ringe fungerer som en fuldstændig ideel startstruktur for grafen, fordi kulstofatomerne heri allerede har opnået en delvist ordnet form. Ifølge holdets forskere er netop dette indledende skridt fuldstændig afgørende, da det effektivt forhindrer irriterende defekter i det endelige produkt.
Anden fase: Lynopvarmning til over 3.000 grader
Lige derefter kommer der en ultrakort, men fuldstændig gigantisk energiudladning. Temperaturen på det kulsorte pulver skydes på få millisekunder ekstremt højt op, så den passerer grænsen på 3.000 grader Celsius.
Under så vanvittigt ekstreme betingelser begynder kulstofatomerne faktisk at omorganisere sig helt af sig selv. På den måde danner de bittesmå, tynde lag af grafen, som ligger og hviler løst oven på hinanden. Hele den utrolige transformation fra rå skal til færdig grafen tager sølle 10 minutter at gennemføre. En enorm fordel ved teknikken er det komplette fravær af opløsningsmidler eller giftige stoffer, hvilket gør processen utroligt bæredygtig til storskala produktion.
Videnskabsfolk kalder denne særlige type for turbostratisk grafen. Selvom lagene ikke ligger i fuldstændig perfekt symmetri, gør det absolut ingenting for mange praktiske anvendelser. Det passer nemlig perfekt ind, hvor industrien ikke nødvendigvis kræver et absolut fejlfrit enkeltatom-lag.
Hvorfor den industrielle sektor hungrer efter jordnødde-grafen
Omfattende beregninger fra forskerne har afsløret, at den nye fremgangsmåde kræver et chokerende lavt energiforbrug. For at producere et enkelt kilogram grafen bruges der elektricitet for blot cirka 1,10 euro (svarende til 28 koruna). Sammenligner vi dette resultat med standardiserede metoder, så kræver de gamle teknikker usammenligneligt mere strøm og meget dyre råmaterialer.
Skulle man sprede denne smarte proces ud i virkelighedens industri, vil det medføre en hel række fundamentale fordele:
- Drastisk prisreduktion: Supermaterialet grafen vil endelig blive tilgængeligt for bred masseproduktion frem for udelukkende at være til højt specialiserede nicher.
- Grønnere fremstilling: Den kærkomne fjernelse af kemiske reagenser og skrappe opløsningsmidler betyder et massivt fald i den generelle miljøbelastning.
- En genfødsel af skrald: Almindelige landbrugsrester opnår med ét slag status som et eftertragtet, højteknologisk råmateriale.
- Simpel implementering: Hele proceduren er baseret ren og skær på elektricitet, så den kan meget let integreres ind i de allerede eksisterende industrianlæg.
Den markant lavere materialepris åbner heldigvis også op for udviklingen af helt spændende produktkategorier. Ting, som tidligere var ren fiktion på grund af de astronomiske fremstillingsomkostninger, kan pludselig blive hverdag.
Fra smarte plastre til kraftfulde batterier
Den netop udvundne turbostratiske grafen er godt nok ikke den allerdyreste laboratorievariant, der består af ét enkelt fejlfrit lag, men det er slet ikke et problem. Industrivirksomheder har nemlig i hverdagen oftere bare brug for massive volumener af “tilstrækkeligt god” grafen frem for små, kostbare krystaller.
En sikker garanti for både billige og stabile leverancer af materialet vil blandt andet kunne fremskynde hastigheden for opladning af batterier i moderne elbiler voldsomt. Samtidig vil det for alvor bane vejen for at masseproducere prisvenlige og bøjelige sensorer, der for eksempel kan syes ind i vores sportstøj eller lægges direkte ind i avancerede, medicinske plastre.
Ekspertholdet under kyndig ledelse af Guan Yeoh har desuden ikke ladet sig begrænse til udelukkende at kigge på jordnødder. De dygtige videnskabsfolk tester nu med stor iver tilsvarende procedurer på andre populære typer biomasse fyldt med lignin og kulstof. I kikkerten har de lige nu både kaffegrums og helt almindelige bananskræller.
Hvis disse hverdagsrester viser sig at være lige så effektive, skabes der pludselig en enorm, globalt tilgængelig bank af ressourcer til at fremstille moderne materialer af. Et sådant spring kunne radikalt mindske vores afhængighed af forurenende fossile brændstoffer, heriblandt den sorte råolie. Forestil dig bare en fabrik opført klos op ad et lokalt kafferisteri, hvor det tunge bioaffald straks trylles om til blændende, værdifuldt grafenpulver.
Næste skridt på forskningsrejsen er selvsagt at flytte teknikken fra de sterile laboratorier og direkte ud i den virkelige verden. Fagfolkene planlægger at starte en reel prototype-linje op inden for 3 til 4 år. Først på det tidspunkt vil det endegyldigt slås fast, om den grønne teknologi fungerer ligeså godt – og frem for alt lige så billigt – ude i den virkelige verden som hjemme på testbænkene.
Hemmeligheden bag grafens enestående egenskaber
For at sætte tingene lidt i perspektiv: grafen er egentlig blot et isoleret lag af grafit, hvilket er akkurat det samme bløde materiale, som sidder inde i kernen på vores hverdagsblyanter. I dette specifikke enkelte lag er samtlige kulstofatomer flettet uløseligt sammen i et gitter, som kigger man tæt nok på, fuldstændigt ligner trådnettet på et hønsehus.
Det er præcis dette meget specifikke indre mønster i materialet, der udstyrer det med helt vanvittige evner. Det brillerer massivt med både en god elektrisk og termisk ledningsevne, hvilket gør materialet til den absolutte drøm for alt inde for elektronik og avancerede kølesystemer. Selvom en flade nærmest ingenting vejer, er grafen stadigvæk ekstremt mekanisk robust. Som en lille bonus er det også delvist gennemsigtigt og bøjeligt, så det er skræddersyet til at beskytte touchskærme eller fungere som højteknologisk film.
Gennem utallige år har teknologibranchen forsøgt at finde ud af, hvordan man kan producere dette supermateriale i gigantisk skala og stadig holde prisen nede. Gennembruddet med udnyttelse af overskydende jordnøddeskaller lader nu stærkt til at have knækket koden, selvom det stadig mangler den allersidste godkendelse fra virkelighedens fabrikker.
En ny æra af genbrug og renere elektronik
Skulle dette enormt innovative og fremtidssikrede koncept for alvor sprede sig bredt ud, vil vi opleve to gigantiske gevinster for vores skrøbelige planet. Det miljømæssige aftryk fra elektronik vil skrumpe betragteligt på grund af et stærkt nedsat forbrug af svære metaller og færre farlige kemikalier. På samme tid fødes et enormt økonomisk drive for omsider at indsamle og sortere landbrugsaffald mere systematisk i hverdagen.
I lande, der primært tjener deres penge på enorm dyrkning af jordnødder eller kaffebønner, kan der ad den vej opstå et spritnyt, indbringende erhvervseventyr. De hårdtarbejdende landmænd vil altså pludselig ikke længere kun score en fortjeneste på råvarerne, men også på videresalget af de førhen værdiløse rester og skaller. Dette scenarie ville puste fornyet liv ind i stribevis af lokale økonomier, alt imens det sænker klimabelastningen fra morgendagens teknologiske løsninger betragteligt.
Fra en ganske almindelig forbrugers stol ændrer der sig ved allerførste øjekast absolut ingenting – vores smartphones vil stadigvæk bare være smartphones. Men lige bag skærmglasset arbejder der muligvis om et lille årti både sensorer og strømbatterier, som alle kan spores direkte tilbage til en lun pose ristede jordnødder eller dit sidste skud morgen-espresso fra din foretrukne lokale café.
