Professor Timothy Noël och medarbetare i Flow Chemistry-gruppen vid Van 't Hoff-institutet för molekylära vetenskaper vid universitetet i Amsterdam har utvecklat en fullt fungerande fristående soldriven minireaktor som erbjuder potential för produktion av finkemikalier på avlägsna platser på jorden, och möjligen även på Mars. I en tidning publicerad av ChemSusChem , teamet presenterar sin unika, helt off-grid fotokemisystem.

Det nya systemet, som kan syntetisera droger och andra kemikalier i ekonomiskt relevanta volymer, "lyser i isolerade miljöer och möjliggör decentralisering av produktionen av finkemikalier, " enligt professor Noël. "Minianläggningen är baserad på konceptet fotokemi, använda solljus för att direkt "driva" den kemiska syntesen. Vi använder en fotokatalysator, en kemisk art som driver syntesen när den är belyst, " Noël fortsätter. "Normalt används kraftfulla lysdioder eller annan belysningsutrustning för belysningen, men vi väljer att använda solljus. Till att börja, detta gör syntesen helt hållbar. Men det möjliggör också fristående drift på avlägsna platser. Vår dröm är att se vårt system användas vid en bas på månen eller på Mars, där självförsörjande system behövs för att tillhandahålla energi, mat och medicin. Vår minianläggning skulle kunna bidra till detta i en helt autonom, självständigt sätt."

En soldriven flödesreaktor

Utvecklingen av minianläggningen började för ungefär fem år sedan när forskargruppen Noël – vid den tiden baserad vid Eindhovens tekniska universitet – utvecklade en "solkoncentrator". Detta är i huvudsak ett ark av transparent plast med mikrometerstora kanaler i vilka den kemiska syntesen äger rum. Genom att lägga till dedikerade färgämnen, forskarna utvecklade plasten till en solledare och en självlysande omvandlare. Den fångar solljus och riktar det mot kanalerna, samtidigt som en betydande del av ljuset omvandlas till röda fotoner som driver den kemiska omvandlingen.

Nästa steg var att förvandla koncentratorn till en fullt fungerande flödesreaktor. "Detta betyder att vi pumpar en reaktionsblandning av utgångsmaterial och fotokatalysator genom de solbelysta kanalerna, " säger Noël. "Den önskade kemiska omvandlingen sker i dessa kanaler så att de faktiskt, vårt alternativ till de traditionella kemiska synteskolvarna eller -kärlen." Noël fortsätter med att förklara att även om kanalerna är ganska små, en sådan "flödesreaktor" kan producera ganska relevanta uteffekter eftersom den arbetar från soluppgång till solnedgång på ett kontinuerligt sätt. "Vad mer, " han lägger till, "Användningen av kanaler möjliggör en mycket mer effektiv koppling mellan ljus och kemi än vad som är möjligt när man använder traditionella kolvreaktorer."

Maximal effektivitet

Forskargruppen Noël hade redan demonstrerat solflödesreaktorkonceptet genom att syntetisera en rad medicinskt relevanta molekyler, om än i laboratorieskala i en kontrollerad miljö. Nu, i deras senaste tidning i ChemSusChem , de beskriver hur de utvecklade en livskraftig, optimalt effektivt autonomt fotosyntessystem och använde det i fälttester. De ger också en syn på aspekter som tillämpningspotential och ekonomisk prestanda.

Prototypen av solflödesreaktorn täcker nu en yta på cirka 0,25 kvadratmeter. För att göra det helt autonomt, forskarna utrustade den med en solcell som ger ström till hjälpenheter som pumpar och styrsystemet. Denna solcell är placerad bakom flödesreaktorn i en staplad konfiguration som säkerställer maximal effektivitet per kvadratcentimeter, enligt Noël. "De mer energiska våglängderna används i reaktorn för att driva fotokatalysatorn. De återstående fotonerna med våglängder på 600-1100 nm omvandlas till elektricitet för att driva hjälpelementen."

Världsomspännande applikationspotential

Den helt autonoma prototypen använder också ett responsivt kontrollsystem som kan optimera den kemiska omvandlingen vid olika ljusintensiteter. "När ett moln täcker solen skulle den kemiska omvandlingen normalt minska mycket snabbt, " säger Noël. "Vårt system kan göra de nödvändiga justeringarna i realtid. Fälttester bekräftade att den kan bryta ut kemikalier med konstant hastighet även på dagar som är en blandning av soligt och molnigt." Testerna utfördes i Nederländerna. För att få en uppfattning om de globala användningsmöjligheterna, jämförelser gjordes med hjälp av soldata på platser i Norge (Nordkap), Spanien (Almeria) och Australien (Townsville). Noël:"Även vid Nordkap, med relativt lite solkraft, vi uppskattar tillfredsställande produktionssiffror."

Forskarna jämförde också prototypsystemets prestanda med produktionssiffror för den välkända fotokemiska syntesen av rosoxid. Denna produkt för parfymindustrin tillverkas industriellt med fotokemiska medel eftersom den är renare och effektivare än traditionell kemisk syntes. Forskarna beräknade att en förvånansvärt liten yta skulle krävas för att deras system skulle möta den nuvarande årliga efterfrågan - bara 150 m ² skulle räcka. Noël:"Det är bara ett fabrikstak fullt av våra minianläggningar! Systemkostnaden skulle likna dagens kommersiella fotosyntessystem. Men vi behöver bara solenergi så det finns inga energikostnader. Så detta kan verkligen vara en hållbar strategi för framtiden produktion av kemikalier som rosoxid eller läkemedel."

Låt väggarna tillverka kemikalier

Noël menar att hans grupps forskning motbevisar all skepsis mot potentialen hos soldriven kemisk teknik:"Vi visar att det finns möjligheter för soldriven kemisk produktion även här i Nederländerna. Du behöver inte åka till Qatar!" Vad mer, systemet lämpar sig för tillämpning på oväntade platser. "Du kan till och med täcka fasaden på en byggnad. Naturligtvis skulle uteffekten då vara mindre än när systemet placeras i en optimal vinkel mot solen. Men det är absolut möjligt - och hur coolt skulle det vara att låta väggarna göra kemikalier!"