18.10.2021 - Universiteit van Amsterdam

Wissenschaftler entwickeln vollständig solarbetriebene autonome Chemie-Minifabrik

Herstellung von Feinchemikalien an abgelegenen Orten und möglicherweise sogar auf dem Mars - auch Fassaden könnten Chemikalien herstellen

Professor Timothy Noël und seine Mitarbeiter in der Gruppe Flow Chemistry des Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences der Universität Amsterdam haben einen voll funktionsfähigen, solarbetriebenen Mini-Reaktor entwickelt, der die Herstellung von Feinchemikalien an abgelegenen Orten auf der Erde und möglicherweise sogar auf dem Mars ermöglichen soll. In einem in der Zeitschrift ChemSusChem veröffentlichten Artikel stellt das Team sein einzigartiges, völlig netzunabhängiges Photochemiesystem vor.

Das neue System, das in der Lage ist, Medikamente und andere Chemikalien in wirtschaftlich relevanten Mengen zu synthetisieren, "glänzt in isolierten Umgebungen und ermöglicht die Dezentralisierung der Produktion von Feinchemikalien", so Professor Noël. Das Minikraftwerk basiert auf dem Konzept der Photochemie, bei dem das Sonnenlicht direkt für die chemische Synthese genutzt wird. Wir verwenden einen Photokatalysator, eine chemische Spezies, die die Synthese antreibt, wenn sie beleuchtet wird", so Noël weiter. Normalerweise werden für die Beleuchtung leistungsstarke LEDs oder andere Beleuchtungsgeräte verwendet, aber wir entscheiden uns für das Sonnenlicht. Das macht die Synthese zunächst einmal völlig nachhaltig. Aber es ermöglicht auch den autonomen Betrieb an abgelegenen Orten. Wir träumen davon, dass unser System auf einer Basis auf dem Mond oder auf dem Mars eingesetzt wird, wo autarke Systeme für die Versorgung mit Energie, Nahrungsmitteln und Medizin benötigt werden. Unser Minikraftwerk könnte dazu auf völlig autonome und unabhängige Weise beitragen.

Ein solarbetriebener Strömungsreaktor

Die Entwicklung des Minikraftwerks begann vor etwa fünf Jahren, als die Noël-Forschungsgruppe - damals an der Technischen Universität Eindhoven angesiedelt - einen "Solarkonzentrator" entwickelte. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um eine transparente Kunststoffplatte mit mikrometergroßen Kanälen, in denen die chemische Synthese stattfindet. Durch die Zugabe spezieller Farbstoffe entwickelten die Forscher den Kunststoff zu einem Solarleiter und Lumineszenzkonverter. Er fängt das Sonnenlicht ein und lenkt es in die Kanäle, während er einen großen Teil des Lichts in rote Photonen umwandelt, die die chemische Umwandlung antreiben.

Der nächste Schritt bestand darin, den Konzentrator in einen voll funktionsfähigen Durchflussreaktor zu verwandeln. Das bedeutet, dass wir ein Reaktionsgemisch aus Ausgangsstoffen und Photokatalysator durch die von der Sonne beleuchteten Kanäle pumpen", erklärt Noël. Die gewünschte chemische Umwandlung findet in diesen Kanälen statt, so dass sie in der Tat unsere Alternative zu den traditionellen chemischen Synthesekolben oder -gefäßen sind. Noël erklärt weiter, dass ein solcher "Strömungsreaktor" trotz der Winzigkeit der Kanäle durchaus relevante Ergebnisse liefern kann, da er von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang kontinuierlich arbeitet. Außerdem", fügt er hinzu, "ermöglicht die Verwendung von Kanälen eine weitaus effektivere Kopplung zwischen Licht und Chemie, als dies bei der Verwendung herkömmlicher Kolbenreaktoren möglich ist".

Maximale Effizienz

Die Noël-Forschungsgruppe hatte das Konzept des Solarstromreaktors bereits durch die Synthese einer Reihe medizinisch relevanter Moleküle demonstriert, allerdings im Labormaßstab und in einer kontrollierten Umgebung. In ihrer jüngsten Veröffentlichung in ChemSusChem beschreiben sie nun, wie sie ein praktikables, optimal wirksames autonomes Photosynthesesystem entwickelt und in Feldversuchen eingesetzt haben. Außerdem geben sie einen Ausblick auf Aspekte wie das Anwendungspotenzial und die wirtschaftliche Leistungsfähigkeit.

Der Prototyp des Solar-Flow-Reaktors bedeckt heute eine Fläche von etwa 0,25 Quadratmetern. Um ihn völlig autonom zu machen, haben die Forscher ihn mit einer Solarzelle ausgestattet, die den Strom für Hilfsaggregate wie Pumpen und die Steuerung liefert. Diese Solarzelle befindet sich hinter dem Strömungsreaktor in einer gestapelten Konfiguration, die laut Noël eine maximale Effizienz pro Quadratzentimeter gewährleistet. Die energiereicheren Wellenlängen werden im Reaktor genutzt, um den Photokatalysator anzutreiben. Die verbleibenden Photonen mit Wellenlängen von 600-1100 nm werden in Elektrizität umgewandelt, um die Hilfseinrichtungen zu betreiben.

Weltweites Anwendungspotenzial

Der völlig autonome Prototyp verfügt auch über ein reaktionsfähiges Steuerungssystem, das die chemische Umwandlung bei verschiedenen Lichtintensitäten optimieren kann. Wenn eine Wolke die Sonne verdeckt, würde die chemische Umwandlung normalerweise sehr schnell abnehmen", sagt Noël. Unser System ist in der Lage, die notwendigen Anpassungen in Echtzeit vorzunehmen. Feldtests haben bestätigt, dass es in der Lage ist, auch an Tagen mit einer Mischung aus Sonne und Bewölkung eine konstante Menge an Chemikalien zu produzieren. Die Tests wurden in den Niederlanden durchgeführt. Um einen Eindruck von den globalen Einsatzmöglichkeiten zu bekommen, wurden Vergleiche mit Solardaten an Standorten in Norwegen (Nordkap), Spanien (Almeria) und Australien (Townsville) angestellt. Noël: "Selbst am Nordkap, wo die Sonneneinstrahlung relativ gering ist, rechnen wir mit zufriedenstellenden Produktionszahlen.

Die Forscher haben die Leistung des Prototyps auch mit den Produktionszahlen für die bekannte photochemische Synthese von Rosenoxid verglichen. Dieses Produkt für die Parfümindustrie wird industriell auf photochemischem Wege hergestellt, weil es sauberer und effizienter ist als die traditionelle chemische Synthese. Die Forscher haben errechnet, dass für ihr System eine erstaunlich kleine Fläche benötigt wird, um den derzeitigen Jahresbedarf zu decken - nur 150m2 würden ausreichen. Noël: "Das ist nur ein Fabrikdach voll mit unseren Minipflanzen! Die Kosten für das System wären ähnlich hoch wie bei den derzeitigen kommerziellen Photosynthesesystemen. Aber wir brauchen nur Solarenergie, es fallen also keine Energiekosten an. Das könnte also wirklich eine nachhaltige Strategie für die zukünftige Produktion von Chemikalien wie Rosenoxid oder Pharmazeutika sein.

Lassen Sie die Wände Chemikalien herstellen

Noël ist der Ansicht, dass die Forschungsergebnisse seiner Gruppe jegliche Skepsis gegenüber dem Potenzial solarbetriebener chemischer Technologien widerlegen: "Wir zeigen, dass es auch hier in den Niederlanden Möglichkeiten für eine solarbetriebene chemische Produktion gibt. Man muss nicht nach Katar gehen! Darüber hinaus lässt sich das System auch an unerwarteten Orten einsetzen. Man könnte sogar die Fassade eines Gebäudes verkleiden. Natürlich wäre die Leistung dann geringer, als wenn das System in einem optimalen Winkel zur Sonne steht. Aber es ist durchaus möglich - und wie cool wäre es, wenn die Wände Chemikalien herstellen würden!

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