Bränsle från avfall? Det är möjligt. Men hittills har att omvandla organiskt avfall till bränsle har inte varit ekonomiskt lönsamt. Det krävs för höga temperaturer och för mycket energi. Med hjälp av ett nytt katalysatorkoncept, forskare vid Münchens tekniska universitet (TUM) har nu lyckats reducera temperatur- och energikraven avsevärt för ett nyckelsteg i den kemiska processen. Tricket:Reaktionen sker i mycket trånga utrymmen inuti zeolitkristaller.

Allt mer el produceras decentralt med hjälp av vind, vatten- och solkraftverk. "Det är därför vettigt att decentralisera kemisk produktion, också, " tänker prof. Johannes Lercher, som leder ordföranden för teknisk kemi II vid TU München. "Teoretiskt sett, vilken kommun som helst skulle kunna producera sitt eget bränsle eller gödningsmedel."

Hittills, detta har inte varit möjligt eftersom kemiska processer kräver mycket energi - mer än vad lokala förnybara energikällor kan ge. "Vi strävade därför efter att hitta nya processer för att lägga grunden för distribuerad produktion av kemikalier, som kan drivas med förnybara energikällor, " förklarar kemisten, som också är chef för American Institute for Integrated Catalysis vid Pacific Northwest National Laboratory.

Hans team har nu uppfyllt en förutsättning för en vändning i kemisk produktion:I laboratoriet, forskarna visade att den temperatur som krävs för att splittra kol-syrebindningar i sur vattenlösning kan drastiskt sänkas med zeolitkristaller. Processen gick också mycket snabbare än utan zeolitkatalysatorerna.

Naturen som modell

Naturen var referensen för utvecklingen av den nya processen. I biologiska system, enzymer med små fickor på ytan påskyndar kemiska processer.

"Vi funderade på hur vi skulle kunna tillämpa dessa biologiska funktioner på organisk kemi, " förklarar Lercher. "Medan man letar efter lämpliga katalysatorer som påskyndar reaktionen, vi snubblade över zeoliter - kristaller med små håligheter där reaktionerna sker under trånga förhållanden jämförbara med dem i enzymfickor."

Hörnformade hydroniumjoner

Men, ökar trånga rum verkligen reaktiviteten? För att svara på denna fråga, Lerchers team jämförde reaktionerna av kolföreningar med syror i en bägare med samma reaktioner i zeoliter. Resultatet:I kristallhålorna, där de reagerande molekylerna, till exempel alkohol, möts på syrornas hydroniumjoner, reaktionerna går upp till 100 gånger snabbare och vid temperaturer strax över 100 °C.

"Våra experiment visar att zeoliter som katalysatorer är lika effektiva som enzymer:Båda minskar avsevärt de energinivåer som krävs av reaktionerna, " rapporterar Lercher. "Ju mindre håligheten är, desto större katalytisk effekt. Vi uppnådde de bästa resultaten med diametrar långt under en nanometer."

Geckos, vax och zeoliter

Men varför främjar trånga utrymmen reaktiviteten hos molekyler? "Den kraft som förbättrar reaktionsvägen är densamma som den som gör att vax fastnar på en bordsskiva och som gör att geckos kan gå i tak, " svarar Lercher. "Ju fler kontaktpunkter det finns mellan två ytor, desto större vidhäftning. I våra experiment, de organiska molekylerna, som är i en vattenlösning, bokstavligen attraheras av porerna i zeoliterna."

Således, hydroniumjonerna i hålrummen har en betydligt större sannolikhet att stöta på en reaktionspartner än de utanför. Resultatet är en syrakatalyserad kemisk reaktion som sker snabbare och med lägre energitillförsel.

Från sopor till bränsle

När de kommer i kontakt med hydroniumjoner, organiska molekyler som alkoholer förlorar syre. Detta gör processen lämplig för att omvandla bioolja från organiskt avfall till bränsle.

Det kommer att ta lite tid, självklart, innan den nya processen kan distribueras i fält. "Vi arbetar fortfarande med grunderna, " betonar Lercher. "Vi hoppas kunna använda dessa för att skapa de förutsättningar som krävs för nya, decentrala kemiska produktionsprocesser som inte längre kräver storskaliga anläggningar."