Forskare vid University of Delawares Catalysis Center for Energy Innovation - ett Energy Frontier Research Center som stöds av US Department of Energy - främjar utvecklingen av förnybart jetbränsle tillverkat av majskolvar och flis jämfört med petroleum. Kredit:Jeffrey Chase, University of Delaware.
Flygplan zoomar över huvudet, trasig-vita konturer strömmar bakom dem. Federal Aviation Administration (FAA) hanterade 43, 684 flyg, i genomsnitt, varje dag förra året, och amerikanska militära och kommersiella flygningar använde tillsammans över 20 miljarder gallon flygbränsle.
Alla dessa utsläpp går ihop. Världens flygresor bidrog med 815 miljoner ton CO2-utsläpp 2016 – två procent av den globala konstgjorda totalen, enligt International Air Transport Association. Och den globala flygtrafiken saktar inte ner. IATA förutspår att 7,2 miljarder passagerare kommer att resa med flyg 2035, nästan en fördubbling av de 3,8 miljarder som flög 2016.
Så hur gör vi flygresor enklare för miljön? University of Delaware forskare arbetar med att utveckla ett alternativt flygbränsle. Istället för petroleum, UD-forskare vill driva flygplan med majskolvar och träflis – sådant du i allmänhet inte bryr dig så mycket om om du inte är en jordsvin eller en bäver som letar efter rester.
I UD:s Harker Interdisciplinary Science and Engineering Laboratory, forskare omvandlar sådant växtmaterial, känd vetenskapligt som lignocellulosabiomassa, till gröna produkter, inklusive nya bränslen och kemikalier. Forskarna är knutna till Catalysis Center for Energy Innovation (CCEI), ett Energy Frontier Research Center som stöds av U.S. Department of Energy. Baserad på UD, centret samlar forskare från nio institutioner för att arbeta med utmaningar inom ren energi.
Ett av de största hindren för att tillverka förnybart flygbränsle, enligt CCEI Associate Director Basudeb Saha, ökar hastigheten och effektiviteten för två kritiska kemiska processer – koppling och syreborttagning. Eftersom växtmaterialet som centret arbetar med har en låg kolhalt när det väl bryts ner från ett fast ämne till en vätska, kolmolekylerna måste kemiskt sys ihop eller "kopplas" för att skapa molekyler med hög kolhalt i flygbränsleområdet. Sedan måste syret avlägsnas från dessa molekyler för att bilda grenade kolväten. Denna förgrening är väsentlig för att förbättra flödet av bränsle vid frysningstemperaturerna vid kommersiell flygning.
"Internationella plan kan flyga på en höjd av 35, 000 fot, där utetemperaturen kan vara så låg som -14°C, säger Saha, som leder ett projekt för förnybart flygbränsle i centrum. "Det är temperaturen vid vilken ett plan måste köra, och bränslet kan inte frysas."
I forskning om förnybart flygbränsle vid University of Delaware, Saikat Dutta, postdoktor vid Catalysis Center for Energy Innovation, utför experiment med katalysatorer, de kemiska "getterna" som kickstartar kemiska reaktioner. Kredit:Evan Krape/University of Delaware
Accelerera produktionen av förnybart flygbränsle
Efterfrågan kvarstår på icke-petroleumbaserat bränsle för flyget. För mer än ett decennium sedan, FAA hade satt som mål att använda 1 miljard liter förnybart flygbränsle till 2018. Enligt IATA, hållbara flygbränslen är en del av dess strävan efter koldioxidneutral tillväxt från 2020 och framåt, och till en minskning av nettokoldioxidutsläppen med 50 procent till 2050 (i förhållande till 2005 års nivåer). Men det produceras inte tillräckliga mängder av detta alternativa bränsle, inte heller till en konkurrenskraftig kostnad.
För närvarande, flera amerikanska företag tillverkar förnybart flygbränsle från material som triglycerider som utvinns från använd olja och fett, eller från en kombination av kolmonoxid och väte som kallas syngas. Ett företag använder alger som sitt källmaterial och har till och med en underjordisk pipeline till Los Angeles Airport (LAX), där en procentandel blandas med konventionellt flygbränsle, säger Saha.
Dock, bearbetning av detta icke-konventionella material kräver höga temperaturer—350°C (662°F)—och även högt tryck.
Inte så med de där träflisen och majskolvarna på UD, där Saha och hans kollegor har utvecklat nya katalysatorer - så kallade "kemiska getter" - som kickstartar de kemiska reaktionerna som kan omvandla detta växtmaterial till bränsle. En av dessa katalysatorer, gjord av billig grafen, ser ut som en bikaka av kolmolekyler. Dess unika ytegenskaper ökar hastigheten på kopplingsreaktionen. Den fungerar även vid låg temperatur (60°C). En annan katalysator tar bort syre på ett energieffektivt sätt och ger höga utbyten av grenade molekyler, upp till 99 procent, lämplig för flygbränsle. Båda katalysatorerna är återvinningsbara, och processerna är skalbara.
"Den låga temperaturen och den höga selektiviteten i vår process kan möjliggöra kostnadseffektiv och hållbar produktion av biobaserade flygbränslen från lignocellulosabaserad biomassa, säger Saha.
Forskningen beskrivs i tre nya vetenskapliga artiklar:"Solventless C–C Coupling of Low Carbon Furanics to High Carbon Fuel Precursors Using an Improved Graphene Oxide Carbocatalyst" och "Hydrodeoxygenation of Furylmethane Oxygenates to Jet and Diesel Range Fuels:Probing the Reaction Network with Probing the Reaction Network Understödd Palladium Catalyst och Hafnium Triflate Promoter" dök båda upp i ACS-katalys , som publiceras av American Chemical Society, och "Katalytisk hydrodeoxygenering av furylmetaner med hög kolhalt till förnybara jet-bränslealkaner över en rheniummodifierad iridiumkatalysator" visades i ChemSusChem .
