Fra verdiløst landbruksavfall til banebrytende supermateriale
Forskere har gjort en helt uventet oppdagelse i noe så hverdagslig som vanlig matavfall. Et ekspertteam fra Australia har påvist at vi kan forvandle millioner av tonn kasserte jordnøtteskall til grafén av høyeste kvalitet. Selv om dette nanomaterialet regnes som et teknologisk mirakel i industrien, har produksjonen hittil vært både enormt krevende og kostbar. Men takket være en imponerende smart varmemetode forventer spesialistene nå at grafén svært snart kan bli like lett tilgjengelig som stål og plast.
På verdensbasis genererer vi hvert år over 10 millioner tonn skall fra jordnøtter. Verken bønder eller matprodusenter har egentlig funnet noen praktisk bruk for dem. Størsteparten av disse restene havner derfor rett på søppeldeponiet eller i komposthaugen, noe som betyr at materialets økonomiske verdi i praksis er null.
Likevel har forskere ved University of New South Wales (UNSW) klart å se et enormt potensial i disse store fjellene av avfall. De harde jordnøtteskallene er nemlig fulle av lignin – en spesiell plantepolymer med ekstremt høyt karboninnhold. Og nettopp karbon utgjør selve grunnlaget for å kunne lage grafén.
Grafén består enkelt og greit av ett enkelt lag karbonatomær bundet sammen i en bikubelignende struktur. Materialet er utrolig tynt, sterkere enn stål og leder strøm bedre enn kobber. Dessverre har astronomiske produksjonskostnader og bruk av aggressive kjemikalier lenge lagt en stopper for massiv industriell utnyttelse.
Lederen av forskergruppen, Guan Yeoh, fremhever hvordan denne omdannelsen av plantemateriale på elegant vis forener grønn bærekraft med produksjon av et enormt verdifullt nanomateriale. Samtidig er den nye teknikken en seriøs utfordrer til de langt dyrere tradisjonelle metodene man hittil har vært avhengig av.
To intense varmesjokk plasserer karbonet helt presist
Det revolusjonerende australske systemet bygger på en toprosess der temperaturen drives lynraskt i været. Hele forløpet starter med å pulverisere jordnøtteskallene til et helt fint støv. Deretter utsettes denne massen for to svært korte, men ekstremt kraftige termiske sjokk.
Første fase: Fremstilling av rent karbon
I første omgang varmer ekspertene opp pulveret indirekte via elektrisk strøm til rundt 500 grader Celsius. Denne intense tilstanden opprettholdes nøye i fem minutter. I løpet av sekunder sørger varmen for å fordampe alt oksygen, hydrogen, vann og andre unødvendige urenheter fra massen.
Det forskerne sitter igjen med etterpå, er en bestemt type plantekull fylt med aromatiske karbonringer. Disse spesielle ringene fungerer som den absolutt mest optimale startstrukturen for grafén, ettersom karbonatomene allerede er delvis organisert. Fagekspertene vurderer dette innledende trinnet som strengt nødvendig for å unngå feil i det ferdige nanomaterialet, siden kvaliteten på dette mellomproduktet i stor grad avgjør sluttresultatet.
Andre fase: Lynoppvarming til over 3 000 grader
Neste steg består av en enormt kraftfull, men ultrakort energiutladning. I løpet av brøkdeler av et sekund skyter temperaturen i det forkullede pulveret opp over de magiske 3 000 gradene Celsius.
Under disse brutale og ekstreme forholdene klarer karbonatomene på nesten mirakuløst vis å omorganisere seg helt automatisk. Dermed dannes tynne lag med grafén som ligger løst oppå hverandre. Reisen fra et enkelt rått skall til ferdigprodusert grafén tar overraskende nok bare ti minutter totalt. En annen stor fordel er det fullstendige fraværet av giftige løsemidler, noe som gjør denne tilnærmingen til en fremragende kandidat for fremtidig bærekraftig industriproduksjon.
Fagfolk kaller denne varianten for turbostatisk grafén. Selv om de individuelle lagene ikke er hundre prosent perfekt justert, er det nettopp denne egenskapen som gjør materialet så godt egnet til et hav av praktiske bruksområder, der ett enkelt feilfritt atomlag ikke er et absolutt krav.
Derfor lengter industrien etter grafén fra jordnøtter
Da forskergruppen regnet på tallene, kom de frem til et sjokkerende lavt energiforbruk for den nye produksjonsmetoden. For å produsere nøyaktig ett kilo grafén på denne måten koster strømmen bare rundt 1,10 euro. Sammenligner vi dette direkte med dagens vanlige produksjonsmetoder, krever disse langt dyrere råmaterialer og enorme mengder energi.
Dersom konseptet lykkes i stor skala, vil det utvilsomt medføre en rekke grunnleggende fordeler:
- En drastisk prisreduksjon: Materialet vil endelig bli tilgjengelig for bred masseproduksjon fremfor å være forbeholdt høyspesialiserte nisjer.
- En langt mer klimavennlig prosess: Fraværet av farlige kjemikalier resulterer i et massivt fall i den generelle miljøbelastningen.
- En gjenfødsel for avfall: Vanlig overskudd fra landbruket forvandles plutselig til en ettertraktet teknologisk ressurs.
- Problemfri implementering: Siden teknologien utelukkende kjører på strøm, kan den enkelt integreres direkte i eksisterende fabrikker.
Det markante prisfallet åpner dessuten døren for helt nye produkttyper. Tidligere var disse fremtidsløsningene rett og slett ikke lønnsomme å utvikle på grunn av de astronomiske kostnadene.
Fra smarte bandasjer til ekstremt kraftfulle batterier
Selv om den turbostatiske grafénen fra skallene ikke matcher den absolutt dyreste varianten fra avanserte laboratorier, spiller det i virkeligheten liten rolle. Industrielle virksomheter etterspør nemlig typisk enorme mengder grafén i tilstrekkelig god kvalitet, fremfor bare en håndfull mikroskopiske, feilfrie krystaller.
Med en sikker garanti for billige forsyninger vil man potensielt kunne sette kraftig fart på ladehastighetene i batterier til moderne elbiler. I tillegg baner oppdagelsen vei for fleksible og rimelige sensorer som kan veves direkte inn i klær eller bygges inn i avanserte medisinske bandasjer.
Ekspertene fra Australia hviler imidlertid ikke på laurbærene. For øyeblikket tester forskerne intensivt den samme prosessen på flere andre typer biomasse med naturlig høyt innhold av lignin og karbon. De undersøker blant annet muligheten for å bruke vanlig kaffegrut og bananskrell.
Dersom disse andre avfallstypene også viser seg å fungere godt, vil vi plutselig stå overfor en global og lett tilgjengelig forsyningskjede. Dette kan spille en avgjørende rolle for å bryte vår dype avhengighet av fossile brensler, særlig råolje – og åpne for en fremtid der høyteknologiske materialer produseres av det vi i dag kaster i søpla.
