Fra verdiløst landbruksavfall til banebrytende supermateriale
Forskere har gjort en overraskende oppdagelse i noe så hverdagslig som vanlig matavfall. Et ekspertteam fra Australia har påvist at millioner av tonn kasserte jordnøtteskall kan omdannes til grafén av høyeste kvalitet. Selv om dette nanomaterialet regnes som et lite mirakel innen industrien, har produksjonen til nå vært ekstremt krevende og kostbar. Men takket være en smart metode basert på varmebehandling, forventer spesialistene at grafén snart kan bli like lett tilgjengelig som stål og plast.
Globalt produserer vi hvert år over 10 millioner tonn jordnøtteskall. Verken bønder eller matprodusenter har funnet noen praktisk bruk for dem. Størsteparten havner derfor rett på søppelfyllingen eller i kompostbunker, og materialets økonomiske verdi er nærmest lik null.
Likevel har forskere ved University of New South Wales (UNSW) klart å se et enormt potensial i disse store fjellene av avfall. Jordnøtteskallene er nemlig rike på lignin – en plantepolymer med svært høyt karboninnhold. Og nettopp karbon er grunnlaget for å lage grafén.
Grafén består rett og slett av ett enkelt lag karbonatomer bundet sammen i en struktur som ligner et bikakemønster. Materialet er utrolig tynt, sterkere enn stål og leder strøm bedre enn kobber. Dessverre har skyhøye produksjonskostnader og bruk av aggressive kjemikalier lenge hindret massiv industriell utnyttelse.
Lederen for forskergruppen, Guan Yeoh, fremhever hvordan denne omdanningen av plantemateriale kombinerer grønn bærekraft med produksjon av et svært verdifullt nanomateriale. Den nye teknikken utgjør dessuten et reelt alternativ til de langt dyrere tradisjonelle metodene man hittil har vært avhengig av.
To intense varmebølger plasserer karbonet presist på plass
Det revolusjonerende australske systemet bygger på en toprosess der temperaturen drives lynraskt i været. Hele forløpet starter med at jordnøtteskallene males ned til et fint pulver. Deretter utsettes massen for to svært korte, men ekstremt kraftige termiske støt.
Første fase: Rensing av rent karbon
Først varmer ekspertene pulveret indirekte via elektrisk strøm opp til cirka 500 grader Celsius. Denne tilstanden opprettholdes nøyaktig i fem minutter. På svært kort tid sørger varmen for å fordampe oksygen, hydrogen, vann og andre urenheter fra massen.
Det forskerne sitter igjen med etterpå, er en spesifikk type biokull fylt med aromatiske karbonringer. Disse ringene fungerer som den ideelle startstrukturen for grafén, fordi karbonatomene allerede er delvis organisert. Fagekspertene mener dette første trinnet er helt nødvendig for å unngå feil i det ferdige nanomaterialet, siden kvaliteten på dette mellomproduktet i stor grad bestemmer sluttresultatet.
Andre fase: Lynoppvarming til over 3 000 grader
Neste steg innebærer en enormt kraftfull, men ultrakort energiutladning. På brøkdeler av et sekund skyter temperaturen i det forkullede pulveret opp over 3 000 grader Celsius.
Under disse ekstreme forholdene klarer karbonatomene å omorganisere seg selv helt automatisk. Det dannes tynne lag av grafén som ligger løst oppå hverandre. Reisen fra rå skall til ferdig 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 bærekraftig industriell storproduksjon.
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 en rekke praktiske anvendelser der ett feilfritt atomlag ikke er et absolutt krav.
Derfor er industrien svært interessert i grafén fra jordnøtter
Da forskerteamet regnet på energiforbruket, kom de frem til et oppsiktsvekkende lavt tall for den nye produksjonsmetoden. For å fremstille nøyaktig ett kilo grafén på denne måten koster strømmen bare rundt 1,10 euro. Til sammenligning krever dagens vanlige produksjonsmetoder 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 gir en betydelig reduksjon i den totale miljøbelastningen.
- Gjenfødelse av avfall: Vanlig landbruksoverskudd forvandles plutselig til en ettertraktet teknologisk ressurs.
- Enkel implementering: Siden teknologien utelukkende drives av strøm, kan den enkelt integreres direkte i eksisterende fabrikker.
Det markante prisfallet åpner dessuten døren for helt nye produkttyper som tidligere ikke var lønnsomme å utvikle på grunn av de astronomiske kostnadene.
Fra smarte plaster til ekstremt kraftfulle batterier
Selv om den turbostatiske grafén fra skallene ikke matcher den aller dyreste varianten fra avanserte laboratorier, spiller det egentlig liten rolle. Industrielle aktører etterspør typisk store mengder grafén av god nok kvalitet, fremfor bare en håndfull mikroskopisk feilfrie krystaller.
Med en sikker tilgang på billige leveranser vil man potensielt kunne øke ladehastigheten kraftig i batterier til moderne elbiler. Oppdagelsen baner dessuten vei for fleksible og rimelige sensorer som kan veves direkte inn i klær eller bygges inn i avanserte medisinske plaster.
Ekspertene fra Australia hviler imidlertid ikke på laurbærene. For øyeblikket tester forskerne den samme prosessen på flere andre typer biomasse med naturlig høyt lignin- og karboninnhold. De undersøker blant annet muligheten for å bruke vanlig kaffegrut og bananskall.
Dersom disse avfallstypene også viser seg å egne seg godt, vil vi plutselig ha 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 løsninger vi knapt har våget å drømme om.
