Fremtidens bensin: Hydrogen i metallpulver

Fysikere ved Universitetet i Oslo lager teoretiske beregninger på datamaskinen som kan si noe om hvilke metaller som er best egnet til å lagre hydrogenatomer. Løser de gåten, kan biler kjøre på hydrogen og slippe ut vanndamp som eksos.

REN ENERGI: Forsker Ole Martin Løvvik på Senter for materialvitenskap og nanoteknologi løser gåten om fremtidens forurensningsfrie energiform ved hjelp av matematiske modeller. Foto: Ola Sæther.

Hvis forskerne klarer å finne en billig, enkel og effektiv metode til å lagre og tappe hydrogen i metaller, er det mulig å lage forurensningsfrie biler med hydrogen som drivstoff og vanndamp som eksos.

For hydrogen lagret i fast form kan være langt mer anvendbar enn hydrogengass. En full biltank med hydrogengass tilsvarer en ballong på fem meter i diameter. Det er ikke særlig praktisk. Komprimeres gassen til flere hundre atmosfærers trykk, vil ikke tanken bare fylle hele bagasjerommet, men også være eksplosjonsfarlig.

Heller ikke hydrogen i flytende form frister bilindustrien. Hydrogen blir ikke flytende før ved minus 253 grader. Løsningen koster ikke bare mange penger, men tar også en tredel av energien. Hvis man ikke klarer å dekke til hydrogenbeholderen med nok isolasjon, vil daglig en til to prosent av hydrogenet fordampe.

Forskerne leter derfor etter et egnet materiale som både suger til seg hydrogen som en svamp og som har slike egenskaper at det er lett å tappe materialet for hydrogen uten for mye bruk av energi. Materialet skal også være av en slik beskaffenhet at hydrogenet ikke lekker ut som en sil.

– Mange mener dette er det viktigste problemet å løse for å gjøre denne hydrogenenergien aktuell for forbrukerne. Vi leter etter materialer som er praktiske i bruk. For oss er dette veldig spennende og utfordrende. For lagringen er viktig for at en bil kan kjøre langt, sier forsker Ole Martin Løvvik på Senter for Materialvitenskap og Nanoteknologi, et nystartet senter ved Universitetet i Oslo med forskere både fra Fysisk og Kjemisk institutt.

Den internasjonale målsettingen for lagring av hydrogen er klar. Fire kilo hydrogen i biltanken gir en rekkevidde på 40 mil. Hvis man klarer å fylle opp biltanken slik at den inneholder fem prosent hydrogen, vil tanken bare veie 80 kilo og fylle 57 liter. Det er bare litt mer plass enn man trenger til dagens drivstoff; diesel og bensin.

Hydrogenspisende materialer

Ole Martin Løvvik lager teoretiske beregninger på datamaskinen som kan si noe om hvilke metaller som er best egnet til å lagre hydrogenatomer. Han forsøker også å forstå hvorfor noen materialer fungerer bedre enn andre.

For hydrogenglade materialer har den merkverdige egenskapen at de kan lagre dobbelt så mange hydrogenatomer enn hydrogen kjølt ned til fast form. Det blir som om det skulle være mulig å plassere dobbelt så mange erter i en sekk full av poteter enn i en tom sekk.

– I kvantemekanikken spiller intuisjonen oss et lite puss. I atomenes verden kan man ikke lenger tenke på atomer som kuler. De har elektroner. Noen tar mye plass, andre lite.

I de spesielle materialene sitter atomene svært tett. Hydrogenatomene legger seg i den ledige plassen mellom og rundt metallatomene. Problemet er at materialene veier mye fordi de består av tungmetaller og enten er så stabile at det er vanskelig å få ut hydrogen eller så ustabile at materialet lekker hydrogen.

Famler i blinde

Tyske forskere har oppdaget at hvis man tilsetter titan, er det lettere å få hydrogen inn og ut av et slikt materiale. Problemet er at forskere verken forstår rollen til titan eller finner titanet igjen. Det ser tilsynelatende ut som om titanet er sporløst forsvunnet.

– Så lenge vi ikke vet hvor i strukturen titanet er, famler vi i blinde for å finne bedre systemer. Over hele verden gjøres det tunge forsøk på å løse problemet. Vi modellerer dette på grunnleggende nivå og spør oss hvor titanet er. Vi har funnet en sannsynlig plassering og en sannsynlig mekanisme for hva titan gjør. Vi er de første i verden som har offentliggjort dette.

Når forskerne med sikkerhet vet hvor titanet gjemmer seg, famler de ikke lenger i blinde. Da kan de bruke denne kunnskapen til å lage standardmodeller som kan brukes til å teste en rekke materialer på datamaskinen. Det blir også lettere å lage hypotetiske materialer, slik at man kan gi en pekepinn på hvilke materialer man bør prøve ut i laboratoriet.

Rådyr membran

I en hydrogenmotor er det viktig at bare hydrogen siver inn og ingen andre gasser. Den minste urenhet kan ødelegge brenselcellene. Ole Martin Løvvik lager derfor teoretiske beregninger for en optimal membran som bare slipper igjennom hydrogen og intet annet. Sintef har laget en membran med palladium, et stoff som er like dyrt som gull. Selv om membranen er én mikrometer tykk er det ikke nok palladium i verden til det behovet bilindustrien har. Man er derfor nødt til å finne en annen løsning eller se på enda tynnere materialer.

– Palladium har svært selektive egenskaper og har ekstrem høy gjennomtrengningsrate av hydrogenatomer. Ingen andre grunnstoffer slipper igjennom denne palladiummembranen.

For å klare det, må man ha en perfekt membran uten sprekker og hull. Problemet er at membranen skal brukes ved høye temperaturer. Da kan den ødelegges. Man må derfor finne en stabil løsning. For at membranen skal starte prosessen med å slippe igjennom hydrogenatomene, må den kanskje behandles med oksygen. Dette er et problem som ikke er løst.

– Vi ønsker derfor å forstå hva som skjer og forutsi andre typer membraner som er like gode, men som har bedre mekaniske egenskaper.

Muligens kan man blande palladium med andre metaller som sølv og kobber. Løvvik er i gang med å se på mulige sammensetninger med flere metaller.

Han sier at det også er viktig å studere kornene i membranen, fordi membranen er bygd opp av flere korn, der hvert korn har perfekte krystaller. Men man vet ikke hva som skjer i korngrensene.

– Vi forsøker derfor å modellere dette ved å se på vandringen av hydrogen i korngrensene, forklarer Ole Martin Løvvik på Senter for Materialvitenskap og Nanoteknologi ved Universitetet i Oslo.

Emneord: Teknologi, Miljøteknologi, Matematikk og naturvitenskap, Fysikk, Kjernekjemi, Atomfysikk, molekylfysikk, plasmafysikk, Kjerne- og elementærpartikkelfysikk, Nanoteknologi Av Yngve Vogt
Publisert 1. feb. 2012 12:00
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere