Varifrån kommer energin i Air-gen?

Så här tycker craiyon.com att
"generating electricity from water vapor"
ser ut.

 Tidigare i år kunde man läsa i Ny Teknik att forskare vid University of Massachusetts Amhurst hittat ett sätt att utvinna elektricitet ur tomma luften, en effekt de döpt till Air-gen. (Deras studie finns publicerad i tidskriften Advanced Materials, bakom betalvägg). Det sker med hjälp av en tunn film eller ett tunt skikt full av små, små hål - bara 100 nm i diameter. När skiktet placeras så att ena sidan är i kontakt med den omgivande luften och andra sidan är inkapslad bildas en skillnad i elektrisk potential mellan de två sidorna. Den skillnaden kan användas för att generera elektrisk ström. Resultaten är en vidareutveckling av forskargruppens tidigare arbete med tunna skikt av proteintrådar, men med skillnaden att de nu kommit på att man kan använda praktiskt taget vilket material som helst så länge hålen är av rätt storlek.

Energi ur tomma luften kan lätt låta för bra för att vara sant, men de här resultaten har genomgått peer review och publicerats i en vetenskaplig tidskrift. Så hur funkar detta egentligen? Och var kommer energin ifrån?

Det första man får tänka på här är att tomma luften, om man ska vara petnoga, inte är särskilt tom. Air-gen-effekten är beroende av luftfuktigheten, alltså den vattenånga som är en beståndsdel i vanlig luft. Redan i den första artikeln, den med proteintrådarna, såg man att den sida av det tunna skiktet som är i kontakt med luften tar upp ganska mycket vattenånga, men att mängden vatten avtar när man närmar sig den andra sidan av skiktet. Genom olika experiment kunde forskarna visa att det inte bara handlade om korrelation utan om ett orsakssamband, och att skiktets yttre yta får en svag elektrisk laddning. På något sätt ger alltså vattenångan skiktets yta en elektrisk laddning. Men hur?

En vanlig vattenmolekyl med två väte och ett syre, H₂O, är totalt sett elektriskt neutral. Om den bara landar på det tunna skiktets yta och stannar där kan den alltså inte tillföra någon laddning. Emellertid består inte vattenångan i luften, eller för den delen vatten i någon annan form, bara av vanliga vattenmolekyler. Den innehåller också OH^--joner* och H₃O⁺-joner, det vill säga dels joner med ett syre, ett väte och negativ laddning, dels joner med tre väte, ett syre, och positiv laddning. De här jonerna kan till exempel uppstå när två vanliga vattenmolekyler kolliderar och en vätejon, H⁺, spontant hoppar över från den ena till den andra. 

Om vi har vanliga vattenmolekyler, OH^--joner och H₃O⁺-joner i vattenånga och de kolliderar med det tunna skiktet lite slumpmässigt skulle det fortfarande inte hjälpa, eftersom vi då skulle få ungefär lika många positiva som negativa joner på ytan. Om det däremot var så att den ena sortens joner - säg de negativa - fastnade mer på ytan än de positiva skulle de negativa jonerna kunna samlas på ytan, medan de positiva släpper från ytan igen och far iväg. Forskarna bakom Air-gen refererar till en tidigare vetenskaplig artikel som beskriver just den typen av fenomen. Den tidigare artikeln beskriver också hur vanliga, elektriskt neutrala vattenmolekyler som landar på vissa typer av ytor spontant delar upp sig i positiva och negativa joner, samt hur olika egenskaper hos själva ytan leder till att positiva eller negativa joner stannar kvar på ytan eller far iväg.

Så det verkar som att det går att ge en yta elektrisk laddning bara med hjälp av vattenånga. Men vad är poängen med de små hålen? Enligt artikeln är de stora nog att släppa igenom vatten till den inkapslade sidan av skiktet, men små nog att vattenmolekylerna kommer att krocka med väggarna på vägen och därmed ha möjlighet att fastna på ytan och bidra till laddningen.

Här nånstans kan det vara på sin plats att nämna att flera mer populärvetenskapliga beskrivningar av Air-gen (t.ex. den här) är lite otydliga med om Air-gen faktiskt använder vattenånga, alltså enskilda vattenmolekyler eller små kluster av vattenmolekyler, eller om det handlar om vattendroppar som oftast är mycket större. Det verkar också som om forskarna själva jämför Air-gen med hur statisk elektricitet byggs upp i åskmoln genom krockar mellan vattendroppar, hagelkorn och iskristaller. Såvitt jag kunnat se i artiklarna är det framför allt vattenånga som ger själva Air-gen-effekten.

Men åter igen - var kommer själva energin ifrån? Det mesta verkar komma från vattenmolekylernas rörelseenergi, det är ju de som behöver krocka för att bilda joner, krocka med ytan, etc., för att inte tala om att vattenmolekylerna behöver vara närvarande i form av vattenånga istället för flytande vatten eller is. Rörelseenergin hos atomer och molekyler kallas också termisk energi, eftersom vi uppfattar den som värme (atomer och molekyler i varm luft har mer rörelseenergi än i kall luft, t.ex.). Den största källan till termisk energi för jordens atmosfär är, som man kanske kan gissa, solen. Air-gen verkar alltså leverera energi från solen, fast på omvägar.

*Joner är atomer eller molekyler som antingen fått eller blivit av med en eller flera elektroner, vilket gör att de blir elektriskt laddade.

Om "Så undviker vi klimatkatastrofen" av Bill Gates

Bill Gates är egentligen en person som inte behöver introduceras. Han är den mest kände av grundarna till Microsoft och har en absurt stor förmögenhet. De senaste decennierna har han och hustrun Melinda (som begärde skilsmässa tidigare i år) ägnat sig åt välgörenhet genom sin Bill and Melinda Gates Foundation, som bland annat arbetar med att öka tillgången på vacciner och annan sjukvård och att bekämpa fattigdom. Och nu har han alltså skrivit en bok om hur han tycker att världen bäst bör hantera klimatförändringarna.

För att vara mer specifik så försöker Gates svara på frågan hur vi kan gå från 51 miljarder ton utsläppta växthusgaser per år till noll samtidigt som vi uppnår alla de andra sakerna Gates Foundation jobbar på, som att minska fattigdom och höja levnadsstandarden för människor som t.ex. saknar rent vatten eller tillförlitlig elförsörjning. Målet verkar vara att hela världen ska upp till en europeisk eller amerikansk levnadsstandard samtidigt som vi pressar ner utsläppen.

Med tanke på problements komplexitet är Så undviker vi klimatkatastrofen, lösningarna vi har och genombrotten vi behöver en rätt kort bok (238 sidor i svensk översättning). Större delen av boken tas upp av en systematisk genomgång av vilka utsläppsminskningar som krävs i fem sektorer, energiproduktion, tillverkning, odling, transport, samt svalka och värme. En del av utsläppsminskningarna kan uppnås med teknik vi har idag, som utökad elektrifiering av kortare transporter till exempel. Andra kräver tekniska genombrott - nästa generations kärnkraft och utsläppsfri stål- och cementtillverkning till exempel. Gates är helt klart en inbiten teknikoptimist som inte bara hoppas på genombrott utan också gärna investerar i teknikutvecklingen.

Gates perspektiv som investerare och entreprenör genomsyrar hela boken, men märks tydligast i kapitel tre som har titeln "Fem frågor att ställa i alla samtal om klimatet". Frågorna Gates listar är: "Hur mycket av de 51 miljarderna ton är det fråga om?", d.v.s. hur stor andel av de totala utsläppen kan man åtgärda; "Och cementproduktionen då?", som inte bara handlar om cement utan om alla utsläppskällor som inte får så mycket uppmärksamhet; "Hur mycket energi talar vi om?", där Gates jämför med energin som krävs för en bostad, en hel stad, eller ett land; "Hur mycket utrymme behövs; och "Hur mycket kostar det?". Framför allt det där med kostnaden är något som återkommer genom hela resten av boken i form av "gröna merkostnader" som visar prisskillnaden mellan den teknik som används idag och de utsläppsfria varianterna. Gates betonar åtskilliga gånger att de gröna merkostnaderna måste pressas ner för att ge så många som möjligt tillgång till utsläppsfria lösningar. 

När Gates skriver om att göra grön teknik tillgänglig för så många som möjligt handlar det om tillgänglighet på en global skala, även i länder med utbredd fattigdom. Han ägnar också ett helt kapitel åt att beskriva vilka anpassningar som skulle behöva göras framför allt i sådana länder till de klimatförändringar som redan är oundvikliga. Gates är väl medveten om att de som bidragit minst till klimatförändringarna också är de som kommer att drabbas först och förespråkar att rikare länder måste ta ansvar.

Investerarperspektivet kommer också fram i resonemangen kring hur man tar sig från en grön uppfinning till en produkt på marknaden och kring att inte alla innovationer man satsar på kommer att visa sig funka i praktiken. De sista kapitlen diskuterar också ansvarsfördelningen mellan olika typer av investerare - t.ex. hur offentliga medel kan användas för att ge långsiktig stabil finansiering för lovande idéer som är för långt från marknaden för andra typer av investerare. Faktum är att Gates har en lång lista på saker det offentliga, på statlig eller mer lokal nivå, skulle kunna göra för att få ner koldioxidutsläppen. Den delen av boken är dock väldigt fokuserad på USA.

Sammantaget är det här en bok som lägger fram en optimistisk men ändå relativt konkret plan för att få ner utsläppen av växthusgaser till noll. Den genomsyras av ett investerarperspektiv där det gäller att ta reda på vilka satsningar som ger valuta för pengarna - i form av minskade utsläpp snarare än pengar - men också av målsättningen att man samtidigt måste fortsätta förbättra levnadsförhållandena för världens fattiga. 

Det är också en bok skriven av en känd superrik amerikan, vilket bidrar starkt till att den fått så mycket uppmärksamhet som den har. Varför ska vi egentligen uppmärksamma just Bill Gates plan för att hantera klimatförändringarna? Vi kunde ju till exempel istället fördjupa oss i klimathandlingsplaner som tagits fram genom demokratiska processer eller av statliga myndigheter. En anledning kan vara bekvämlighet - såna klimathandlingsplaner dyker sällan upp i form av relativt lättlästa debattböcker (och hur ofta recenseras de egentligen i media?). En annan anledning kan vara att Gates specifika investerar- och entreprenörsperspektiv faktiskt bidrar med något till debatten. Oavsett har han ju alla möjligheter att sälja in sin plan till andra människor med gott om pengar och inflytande, så det kan vara intressant att känna till den bara av den anledningen.

Järnsvamp och koldioxidutsläpp från annat än bränsle

Under förra året lanserades HYBRIT, ett samarbetsprojekt mellan SSAB, LKAB och Vattenfall som ska leda till koldioxidfri järnproduktion. Framför allt vill man ersätta kolet som används i dagens järnproduktion med vätgas, vilket låter som en rätt vanlig ambition när det handlar om att ställa om till fossilfri produktion. Trots det finns det en skillnad mellan detta och många andra omställningsprojekt, och det handlar om hur man använder kol.

När man eldar upp fossila bränslen som olja och kol är det oftast för att man vill komma åt den kemiska energin som är lagrad i bränslet och använda den till att värma upp något (eller, i en förbränningsmotor, att få en gas att expandera). Ska man ersätta fossila bränslen i de fallen behöver man en annan energikälla - sol- eller vindkraftsel, kärnkraft, biobränslen - och ibland också ett sätt att transportera energin till rätt plats, som batterier. I järnframställning är lite annorlunda eftersom det inte huvudsakligen är värme man är ute efter. Istället använder man vissa kemiska egenskaper hos kolet för att möjliggöra en viss kemisk reaktion.

Järnmalm innehåller järnoxider, alltså mineraler som består av både järn och syre. För att skilja järn från syre behöver man tillsätta något annat som reagerar med järnoxiden och binder till syreatomerna. Ofta använder man kol, eller mer precist kolmonoxid som bildas när man hettar upp kol i en syrefattig miljö. Kemi-termen för detta är att man reducerar järnmalmen. Inom kemin betyder reduktion att ett ämne tar upp elektroner, om ett ämne istället ger ifrån sig elektroner kallas det oxidation. Om man eldar upp t.ex. en bit kol ger kolet ifrån sig elektroner till syre från den omgivande luften, d.v.s. det oxideras, och syret reduceras när det tar upp elektroner. När järnmalmen reduceras oxideras kolmonoxiden och blir i slutändan koldioxid.

I HYBRIT vill man alltså ersätta kolet med vätgas, vilket leder till att man får vatten istället för koldioxid. Det finns redan metoder för att använda en blandning av vätgas och kolmonoxid, vilket producerar så kallad järnsvamp (järn i en väldigt porös form) istället för vanligt tackjärn. Poängen är att man inte bara har ersatt en energikälla här, utan en komponent i vad som i praktiken är en kemisk process, vilket kräver anpassningar och leder till en lite annan produkt.

Järnframställning är inte den enda process där man behöver byta ut sina råvaror för att eliminera koldioxidutsläppen. Ett annat vanligt exempel är cementframställning. En försvarlig del av koldioxidutsläppen där kommer från en kemisk reaktion där man omvandlar kalciumkarbonat, som innehåller kol, till kalciumoxid, som inte innehåller kol. För att komma till rätta med dessa utsläpp behöver man alltså ersätta kalciumkarbonat med något annat (eller möjligen fånga upp koldioxiden på något sätt). Det finns förslag på saker man delvis kan ersätta kalciumkarbonatet med, bland annat masugnsslagg och flygaska, men det kan i sin tur påverka cementens egenskaper.

Det speciella med en omställning till koldioxidfri tillverkning i de här fallen är som sagt att den råvara som är orsak till utsläppen inte bara är en energikälla utan har kemiska eller mekaniska egenskaper som påverkar resultatet. Att hitta en lämplig ersättning kräver riktade insatser inom forskning och utveckling, anpassade till det specifika användningsområdet snarare än på att ersätta energikällor. Vi lär se fler projekt som Hybrit i framtiden, i flera olika typer av industri med liknande problem.

Tankar kring "Apocalypse Never" av Michael Shellenberger

"Apocalypse Never: Why environmental alarmism hurts us all" är en debattbok skriven av den amerikanska aktivisten och författaren Michael Shellenberger. I tolv kapitel med titlar som "It's not the end of the world", "Have your steak and eat it, too" och "False gods for lost souls" presenterar Shellenberger sin syn på dagens miljödebatt och kritiserar en miljörörelse som han anser är för pessimistisk och motarbetar vad han själv ser som rimliga lösningar, som till exempel kärnkraft. 

Shellenbergers aktivistbana började redan på åttiotalet och har förutom miljöaktivism omfattat arbete för mänskliga rättigheter. Han var med och grundade Breakthrough Institute, som förespråkar tekniska lösningar på miljöproblem, samt mer nyligen organisationen Environmental Progress, som har som mål att lyfta människor ur fattigdom och bevara naturliga miljöer. Han var också en av initiativtagarna till det Ekomodernistiska Manifest som publicerades av Breakthrough Institute 2016. En optimistisk syn på teknikens möjligheter att förbättra både människors liv och rädda miljön verkar vara något av en röd tråd, och den går igen även i Apocalypse Never.

Ett antagande som genomsyrar hela Apocalypse Never är att för att lyfta människor ur fattigdom måste fler länder genomgå en utveckling liknande den som till exempel USA och Europa sett under de senaste tvåhundra åren. För att underbygga det här antagandet pekar Shellenberger på studier av så kallad "leapfrogging". Leapfrogging är när tillgång till modern teknik gör det möjligt för utvecklingsländer att bygga upp välstånd på ett annat och mindre miljöfarligt sätt än vad västvärlden en gång gjorde, och den studie som Shellenberger hänvisar till drar slutsatsen att detta inte faktiskt sker i någon större utsträckning. Det presenteras också mer anekdotiska argument baserade på Shellenbergers samtal med personer i t.ex. Brasilien, Indonesien och Kongo, personer som vill ha och behöver ekonomisk utveckling och modernare infrastruktur. Shellenberger verkar inte ha pratat med någon som vill bevara en mer traditionell livsstil - åtminstone står det inget om det i boken.

Industrialisering och ekonomisk utveckling är alltså Shellenbergers recept för fattigdomsbekämpning, men hur går det då med miljön? Alldeles utmärkt, menar Shellenberger - så länge industrialiseringen leder till att man minskar den faktiska landytan man behöver använda för att framställa mat och energi. Shellenberger poängterar hur svårt det är att skydda sådant som hotade djurarter och skogsområden när lokalbefolkningen behöver skogen till bränsle. Han placerar olika energikällor på en skala med sådant som ved längst ner, följt av kol, olja och naturgas, beroende på hur energitätt bränslet är och hur mycket landyta man behöver för att framställa det - ju högre energitäthet desto bättre. För Shellenberger är alltså en övergång från vedeldning till att elda kol, olja eller helst naturgas något positivt.

Därmed inte sagt att Shellenberger är särskilt positiv till fossila bränslen - han är inte någon klimatförnekare, även om han har ett och annat att säga om IPCC. Inte heller är han särskilt positiv till sol- och vindkraft, som han anser tar upp för stora arealer. Istället är det kärnkraft och i viss mån vattenkraft som är lösningen på att förse hela jordens befolkning med tillräckligt mycket energi för att nå en amerikansk eller europeisk levnadsstandard. Från perspektivet att energiframställning ska ta så lite plats så möjligt är det rätt förståeligt, även om jag reagerade på att Shellenberger avfärdar problemet med radioaktivt avfall med några tvärsäkra påståenden och en enda referens (ganska lite för en bok där varje kapitel har mellan 90 och 130 referenser).

Men vänta lite nu, vad var det där om IPCC? Shellenberger säger sig inte ha några problem med den rent vetenskapliga delen av IPCCs arbete, men hävdar att den "sammanfattning för beslutsfattare" som följer med varje IPCC-rapport ofta innehåller överdrivet negativa påståenden. Han lutar sig här speciellt mot utsagor från två experter som varit involverade i IPCCs arbete, ekonomen Richard Tol och klimatexperten Roger Pielke. Ännu mer problematiskt anser Shellenberger att det är när nyhetsmedia tolkar sammanfattningarna och sedan skriver sådant som att vi har tio år på oss att rädda världen. Shellenbergers tes här är alltså att han inte har några problem med vad forskningen visar, utan bara med populariserade sammanfattningar av den. Å andra sidan finns det ju också åtskilliga experter som står bakom de här sammanfattningarna.

Apocalypse Never är en innehållsrik bok och min beskrivning av den här blir därför väldigt översiktlig, men jag kan inte låta bli att nämna Shellenbergers slutkläm. Han väljer nämligen att avsluta boken med att beskriva miljörörelsen, och speciellt de delar av den som fokuserar starkt på risken för att civilisationen ska gå under på grund av klimatförändringar, som en religion. Närmare bestämt talar han om det han kallar den apokalyptiska miljörörelsen som en sorts dödskult sprungen ur den civilisationskritiska grenen av miljörörelsen. Som alternativ förespråkar Shellenberger en "miljöhumanism" med både mänskling utveckling och miljöskydd som mål.

Jag misstänker att många kommer att avfärda Shellenbergers analys av det han kallar den apokalyptiska miljörörelsen som överdriven och direkt förolämpande. Alla som följer miljödebatten har väl i och för sig träffat på dem som gett upp hoppet om mänskligheten eller rent av betraktar den som en farsot, men att kalla det för en dödskult lär vara ett steg för mycket för många. Jag är också tveksam till om "miljöhumanism" verkligen funkar som religionssubstitut. Jag tror att någonstans i bakgrunden till den så kallade apokalyptiska miljörörelsen finns frågan om hur mycket kontroll mänskligheten egentligen bör utöva över resten av naturen. Tekniska lösningar och en "miljöhumanism" av Shellenbergers modell innbär att mänskligheten skaffar sig mer kontroll över sin miljö och kräver därför att man har ett visst förtroende för att mänskligheten klarar av att hantera den kontrollen. Det skulle inte förvåna mig om många ser det som hybris.

Apocalypse Never är naturligtvis en kontroversiell bok och om man googlar den hittar man snabbt ett antal recensioner där recensenten kritiserar Shellenbergs antaganden, perspektiv och framför allt hans källor. Med ungefär 100 referenser till vart och ett av tolv kapitel vore det en tidskrävande uppgift att gå igenom dem alla, men jag noterade också en del problem. Förutom bristen på referenser i resonemanget kring kärnavfall fann jag det tveksamt att han bygger stora delar av sitt resonemang kring matvanor och vegetarianism på böcker av Gary Taubes, en amerikansk läkare vars böcker om kosthållning fått omfattande kritik. I andra delar får jag ett starkt intryck av att Shellenbergers framställning inte är särskilt heltäckande, t.ex. i diskussionen kring IPCCs rapportsammanfattningar eller den mer filosofiska diskussionen kring miljörörelsen som religion. Det finns också hänvisningar, som t.ex. den till Rivers International i kapitel 11, där man kan hävda att Shellenberger inte ger en rättvisande bild av texten han hänvisar till.

Överlag är mitt intryck att Shellenberger visserligen är bra på att presentera stöd för sina teser, men han är mindre intresserad av att ta sig an sina meningsmotståndares bästa argument eller gå på djupet när det gäller saker som talar emot hans egna ståndpunkter. Därför tror jag inte att Apocalypse Never kommer att vara övertygande för särskilt många som inte redan lutar åt liknande åsikter. Det är synd, för Shellenberger presenterar också intressanta och viktiga perspektiv, speciellt när det gäller kopplingarna mellan miljö- och klimatåtgärder och fattigdomsbekämpning. 

Flödesbatterier. Eller är de bränsleceller?

 Jag har skrivit en del inlägg om uppladdningsbara batterier på den här bloggen (t.ex. detta, detta, eller detta), och några om bränsleceller (t.ex. här och här). Härom dagen fick jag dock syn på en artikel i Elektroniktidningen som handlar om något som kallas redoxflödesbatterier. Jag hade aldrig hört talas om redoxflödesbatterier innan och vid en första anblick undrade jag om de inte egentligen är en sorts bränslecell. Jag försökte naturligtvis kolla upp detta på Wikipedia och de som skrivit artikeln om flödesbatterier verkar också tycka att de är nån sorts mellanting.

Både batterier och bränsleceller funkar på grund av så kallade redox-reaktioner, eller reduktions-oxidations-reaktioner. Reduktion, i det här sammanhanget, innebär att en av komponenterna i reaktionen tar upp en eller flera elektroner. Oxidation innebär att en annan komponent i reaktionen ger ifrån sig en eller flera elektroner. Man kan tänka sig detta som en förbränningsreaktion. Om man bränner upp vätgas i luft kommer vätgasen att oxideras - varje väteatom ger ifrån sig en elektron. Samtidigt reduceras en del av syret i luften - varje syreatom tar upp två elektroner - och slutprodukten blir vattenmolekyler med en syreatom och två väteatomer. 

I en vanlig förbränningsreaktion sker allt det här samtidigt på ett och samma ställe, men i en bränslecell som bränner vätgas delar man upp redox-reaktionen så att reduktionen av syre sker vid den ena elektroden (anoden) och oxidationen av vätgasen sker vid den andra elektroden (katoden). Genom att dela upp redoxreaktionen på det här sättet kan man få de oxiderade vätejonerna att ta sig från katoden till anoden genom ett membran eller en elektrolyt, samtidigt som elektronerna får ta en annan väg för att nå fram till syrejonerna och reducera dem. Det är den strömmen av elektroner man använder för att utvinna elektrisk energi ur bränslecellen.

Ett batteri liknar en bränslecell på så sätt att man har en redox-reaktion som är uppdelad så att reduktionen och oxidationen sker vid olika elektroder, och man har en elektrolyt som kan transportera joner från den ena sidan till den andra. Precis som för bränslecellen innebär det att elektronerna kan förmås till att ta en annan väg mellan elektroderna, helst genom nån nyttig pryl som glödlampan i en ficklampa eller någon av kretsarna i en mobiltelefon. En stor skillnad mellan batterier och bränsleceller är dock att man hela tiden tillför bränsle till bränslecellen, medan batterier i sig innehåller alla ämnen som ingår i reaktionen från början. När de är slut är batteriet helt enkelt urladdat och måste laddas upp igen genom att man tillför elektrisk energi och därmed driver redox-reaktionen baklänges.

Så hur passar då flödesbatterier in i bilden? Precis som vanliga batterier och bränsleceller har de två elektroder, men till skillnad från vanliga batterier består båda elektroderna av samma material (oftast någon form av kol). I gengäld har flödesbatterier två elektrolyter med olika kemisk sammansättning istället för en. I de flesta batterier är det materialet i elektroderna som genomgår själva redox-reaktionen, men i flödesbatteriet reagerar de båda elektrolyterna istället. När båda elektrolyterna har samma kemiska sammansättning är batteriet urladdat. Då kan man antingen ladda upp det genom att tillföra energi och driva reaktionen baklänges som man gör med ett uppladdningsbart batteri, eller byta ut elektrolyten vilket blir mer som en bränslecell. 

Konventionella flödesbatterier använder vattenbaserade elektrolyter som innehåller vanadin- och vanadinoxidjoner. Tyvärr är vanadin, som många användbara metaller, sällsynt och giftig. Artikeln i Elektroniktidningen handlar om en studie av hur man kan använda organiska ämnen istället för vanadin, tillsammans med en annan typ av elektroder. 

En begränsning hos batterier är att de bara kan laddas ur och laddas upp ett begränsat antal gånger. Flödesbatterier kan laddas upp och laddas ur fler gånger än vanliga batterier, vilket är en fördel. Å andra sidan är de väldigt mycket större och tyngre eftersom de kräver två elektrolyter i stora volymer. Därför är flödesbatterier inte direkt något alternativ för elbilar eller andra tillämpningar som behöver vara flyttbara, utan snarare för stationär energilagring. Ett exempel skulle kunna vara att lagra energi från solceller eller vindkraftverk vid tillfällen när de genererar mer ström än vad som behövs.

Om AI och hållbarhetsmål

I veckan publicerade Nature Communications en artikel med titeln The role of artificial intelligence in achieving the Sustainable Development Goals. Den är skriven av en grupp på elva forskare inom ämnen som datavetenskap, ekologi och klimatvetenskap. (En av dessa forskare är Max Tegmark, vars bok Liv 3.0 jag skrev om i höstas.) Syftet med artikeln är att ta reda på hur utvecklingen inom AI kan påverka uppnåendet av FN:s sjutton mål för hållbar utveckling.

För att reda ut sambanden mellan utvecklingsmålen och AI har man gjort en gigantisk litteraturstudie där man letat efter olika typer av dokument - framför allt studier av AI-system i verkligheten och i laboratoriemiljö, men också rapporter från t.ex. FN och dokumentation av kommersiella tillämpningar av AI - som på något sätt knyter samman artificiell intelligens med något av hållbarhetsmålen. Man har sedan för varje delmål vägt samman de studier som talar för en positiv eller negativ effekt och försökt kvantifiera om den sammanlagda effekten på det övergripande målet är positiv eller negativ, eller om det finns både positiva och negativa effekter på olika aspekter av målet.

De sjutton hållbarhetsmålen å sin sida har delats in i tre grupper, de som är relaterade till miljö, de som är relaterade till ekonomi och de som är relaterade till samhällelig eller social hållbarhet. På miljösidan ser läget rätt positivt enligt den här studien, med tre hållbarhetsmål som skulle påverkas mestadels positivt av AI, mycket på grund av möjligheten att analysera stora mängder tillgänglig data på ett bättre sätt och därigenom kunna ta till bättre åtgärder mot problem. På minuskontot hittar vi här den potentiella miljöpåverkan av AI-systemen i sig, som kan bli rätt energikrävande och därmed eventuellt generera koldioxidutsläpp.

För de fyra ekonmirelaterade målen pekar artikeln på ett mer komplicerat läge. För de mål som handlar om tillväxt, infrastruktur och hållbar konsumtion är bilden ganska ljus, men när det gäller mål 10 som handlar om att minska ojämlikhet verkar det kunna påverkas både positivt och negativt. Riskerna här handlar om att fördelarna med AI antagligen blir tillgängliga framför allt för de som redan har stora ekonomiska resurser. På ett internationellt plan skulle det kunna leda till att rikare länder drar ifrån ännu mer jämfört med andra länder, inom länder kan det betyda att de som äger företag som drar nytta av AI och de som på ett eller annat sätt jobbar med AI vinner på utvecklingen medan de vars jobb automatiseras eller effektiviseras bort halkar efter i levnadsstandard.

För social eller samhällelig hållbarhet finns det nio mål, och här är bilden också mer komplicerad. För sådant som hållbara städer, rent vatten och hälsa är bilden mestadels positiv, men för målen som relaterar till fattigdomsbekämpning och utbildning finns tecken på både positiv och negativ påverkan och för jämställdhetsfrågor och frågor om rättvisa och stabila institutioner verkar informationen vara rätt bristfällig. Återigen är riskerna kopplade till hur AI-utvecklingen kan höja tröskeln till arbetsmarknaden genom att ta bort jobb men lägre utbildningskrav, men också till hur så kallad "big data" från sociala medier kan användas för att hitta människors psykologiska svagheter och använda dem för att manipulera beteenden.

Även om man säkerligen kan diskutera hur rättvisande metoden man använt i studien är ger artikeln ändå en fingervisning om var man kunnat upptäcka möjligheter och problem med tillämpningar av artificell intelligens. Risker som är kopplade till vem som får tillgång till AI och vems behov tekniken utvecklas för att möta dominerar helt klart på problemsidan, något som bekräftar en del av de farhågor som Tegmark själv presenterade i sin bok. Här finns också en koppling till de förväntade positiva effekterna på t.ex. miljösidan, för om de ska bli verklighet måste någon också utveckla AI som löser just de problemen. Om utvecklingen istället styrs enbart av exempelvis ekonomiska intressen kan de potentiella miljövinsterna med AI utebli.

Eftersom det här handlar om en litteraturstudie är det också viktigt att komma ihåg att alla möjligheter och risker som finns med är sådant som någon annan redan tänkt ut, studerat eller tillämpat. På vissa håll, t.ex. när det gäller rättvisa och jämställdhet, finns det uppenbara kunskapsluckor, medan sådant som att arbetstillfällen försvinner på grund av automatisering är välstuderat för att det fått så mycket uppmärksamhet. Det kan betyda den bild av effekterna av AI som presenteras i artikeln är snedvriden på något sätt - kanske finns det mycket större problem eller möjligheter på något område som inte studerats tillräckligt. Det är ju alltid svårt att veta vad det är man inte vet.

Efter att man tämjt litium...

Normalt sett brukar jag inte skriva så mycket om Nobelprisen. De är ju minst sagt uppmärksammade, och därmed presenteras det nästan alltid bra populärvetenskapliga förklaringar av dem någonstans i ett medieflöde nära dig. I år kan jag emellertid inte låta bli att åtminstone reflektera lite över, inte fysikpriset (även om exoplaneter är rätt spännande), utan kemipriset.  (Apropå populärvetenskapliga presentationer så hittar ni KVA:s här.)

Kemipriset i år gick till M. Stanley Whittingham, John B. Goodenough och Akira Yoshino för deras arbete med litiumbatterier. De har inte arbetat i samma forskargrupp eller lab, men deras respektive arbeten bygger vidare på varandra och markerar viktiga milstolpar på vägen mot de litiumbatterier vi har idag.

Som jag nämnt tidigare (lustigt nog i ett inlägg som handlade om en av Goodenoughs artiklar) består batterier i grunden av två elektroder, en positiv och en negativ, åtskilda av en elektrolyt. När man använder batteriet strömmar elektroner och joner (laddade atomer - i det här fallet atomer som gett ifrån sig elektroner och därför är positivt laddade) från den negativa elektroden till den positiva, jonerna genom elektrolyten och elektronerna genom vad det nu är för elektronik man vill använda batteriet till att driva. När man laddar man batteriet igen lagrar det energi genom att tvinga tillbaka elektroner och joner till den negativa elektroden. För att ett uppladdningsbart batteri ska fungera bra behöver alltså båda elektroderna kunna ta upp och ge ifrån sig joner upprepade gånger utan att börja fungera sämre, ändra form eller förstöras. Man måste också se till att litiumjonerna har högre energi när de sitter i den negativa elektroden än i den positiva, eftersom det är den skillnaden man använder för att lagra energi i batteriet.

I litiumbatterier löser man i regel det här med ett poröst kolmaterial, som grafit, i den negativa elektroden (en av Akira Yoshinos upptäckter, för övrigt) och en metalloxid i den positiva. I båda materialen kan litiumjonerna lagras i hålrum eller luckor i materialet, där de binder tillräckligt svagt till atomerna runt omkring för att lätt kunna lämna materialet igen vid urladdning eller uppladdning. För att oxiden i den positiva elektroden ska kunna behålla sin struktur under urladdningen är det vanligt att den innehåller kobolt.

Kobolt är ett problemmaterial i de här sammanhangen. Det framställs på få platser som en biprodukt av utvinningen av andra metaller, t.ex. koppar och nickel. Nånstans runt hälften av världens totala produktion verkar ske i Demokratiska Republiken Kongo, under usla förhållanden. Samtidigt har det visat sig svårt att ersätta helt, trots idoga försök. Man kan minska mängden kobolt man använder genom att istället använda mer nickel och aluminium, men det sänker batteriets kapacitet en aning och under vissa förhållanden kan det vara mindre säkert.

Det här med att en användbar teknik som har positiva effekter för många kräver problematiska råvaror är något som nästan alltid kommer upp när det handlar om energikällor, energilagring och energianvändning. Bensinmotorer kräver, tja, oljeutvinning (och dessutom många andra välkända nackdelar, som låg verkningsgrad och koldioxidutsläpp). Bränsleceller, åtminstone sådanan som fungerar vid någorlunda rimliga temperaturer, har sina katalysatorer av dyr och sällsynt platina. Vindkraftverk har neodyn.

Vi kan inte undvika att all framställning, lagrning och användning av energi har effekter på vår omgivning. Vi borde kunna undvika de mest horribla lokala konsekvenserna av mineralbrytning, och vi borde kunna ta vara på den kobolt, litium etc. som vi redan tagit fram genom bättre återvinning (notera att länken bara är ett exempel - det verkar finnas många som jobbar med detta). Tyvärr är just återvinning nåt som ofta släpar efter resten av teknikutvecklingen och som bara får verkligt genomslag när priserna på nya råvaror skjuter i höjden.

Och så kan vi ju också fortsätta hoppas på att nån kommer på ett sätt att ersätta kobolt i litiumbatterier. Jag har hört att den 97-årigen professor Goodenough inte känner sig färdig för pension riktigt än.

Utsläppsrätter och målsättningar - en översikt över de politiska partiernas klimatambitioner inför EU-valet

Om en vecka är det val till EU-parlamentet, något som i vanlig ordning inte skapar så mycket rubriker trots tappra försök från både kampanjande politiker och public service. För att ge det lite mer uppmärksamhet kommer här en uppföljare till en artikel jag skrev i Folkvett 18-3, där jag försökte avgöra om riksdagspartiernas förslag på klimatåtgärder faktiskt skulle kunna påverka klimatet åt rätt håll. Här tänkte jag istället kolla på de delar av miljöpolitiken där EU har stort inflytande och vad partierna säger om dessa i sina EU-valplattformar. Eftersom det sitter fler svenska partier i EU-parlamentet än i riksdagen kommer jag också förutom riksdagspartierna att ta med Feministiskt Initiativ, som blev invalt i EU-parlamentet 2014, och Partiet Vändpunkt som fick ett mandat i år genom att en av Miljöpartiets EU-parlamentariker bytte parti.

Vilka delar av klimatpolitiken påverkar EU mest?

Den första frågan man kan ställa sig är vad EU egentligen kan göra på klimatområdet när rätt mycket av de faktiska lagarna fortfarande beslutas på nationell nivå. Går man in på EU-kommissionens hemsida och läser om deras klimatambitioner för 2020, 2030 och 2050 ser man att de lyfter fram tre typer av åtgärder: justeringar i handeln med utsläppsrätter, överenskommelser om utsläppsmål för medlemsstaterna och åtgärder för energieffektivisering. Av de här tre typerna av åtgärder är handeln med utsläppsrätter den som EU-kommissionens egen hemsida framhåller som EU:s nyckelåtgärd. Handeln med utsläppsrätter används för att begränsa och sätta ett pris på utsläpp från energisektorn, tillverkningsindustrin och flyget, med ambitioner att successivt sänka den totala mängden koldioxid som får släppas ut. Andra typer av transporter och sådant som t.ex. jordbruk omfattas inte av handeln med utsläppsrätter, där kan istället medlemsländerna själva sätta in åtgärder för att nå sina utsläppsmål.

Även om handel med utsläppsrätter är nyckelåtgärden så har nog energieffektiviseringen en mer direkt påverkan på enskilda medborgare, eftersom vi bland tidigare åtgärder på området bland annat hittar obligatoriska energieffektivitescertifikat för byggnader och märkning av t.ex. vitvaror för att visa hur energieffektiva de är. En annan sak som kan märkas i vardagen är EU:s satsningar på cirkulär ekonomi, vilket i deras tappning främst handlar om mer omfattande och effektiv materialåtervinning.

När det gäller effekten av de här åtgärderna konstaterade vi i den förra artikeln att handel med utsläppsrätter verkar ha positiv effekt. Att energibesparingar är bra så länge de inte helt äts upp av ökad total konsumtion är också rimligt. Alltså verkar EU göra saker som kan fungera, men det finns ingen garanti för att det är tillräckligt.

Och vad vill de svenska partierna?

Så vad har våra svenska partier för attityder och ambitioner i förhållande till EU och klimatet? I stort verkar man kunna dela in dem i fyra grupper, beroende både på hur höga klimatambitioner de har och om de tror att EU kan nå upp till de ambitionerna.

Grupp 1: de entusiastiska

I den här gruppen hittar vi dem som gillar EU:s nuvarande klimat- och miljöåtgärder och EU som företeelse, men gärna skulle göra mer. Centerpartiet och Liberalerna hamnar här då de båda gillar handeln med utsläppsrätter och utsläppsmål men vill ha högre krav, lägre totala utsläpp och i Liberalernas fall en koldioxidskatt. Båda partierna förespråkar också mer forskning och utveckling av teknik som kan minska utsläppen.

Miljöpartiet hamnar också i den här gruppen. Även om de inte är lika entusiastiska EU-anhängare som de båda andra verkar de öppna för att använda EU i klimatpolitiken, med generellt hårdare krav på utsläppsminskningar, satsning på järnvägar och utfasning av verksamhet som skadar klimatet ur EUs: budget.

De systemkritiska

Den som följt miljörörelsen en längre tid vet att det alltid funnits starka inslag av civilisations- och systemkritik, där konsumtionssamhället och ibland kapitalismen hamnar i skottgluggen som orsaker till inte bara miljöförstöring utan också brist på social hållbarhet. Bland partierna representeras detta framför allt av Feministiskt Initiativ och det nybildade Partiet Vändpunkt , samt i viss mån Vänsterpartiet.

Dessa tre partier kräver alla en omfattande och snabb omställning till ett miljövänligare samhälle, men till skillnad från entusiasterna i den första gruppen förespråkar de större systemförändringar och säger sig vilja motverka att grupper som redan har det besvärligt ekonomiskt får betala priset för omställningen. Av de tre partierna är FI det som i klartext kritiserar idén om fortsatt ekonomisk tillväxt och ökad konsumtion, medan Vändpunkt skjuter in sig på vilka klimatkrav som kan ställas på företag genom EU:s handelsavtal. Vänsterpartiet kritiserar EU-subventioner till klimatskadlig verksamhet och lobbygruppers inflytande på EU:s klimatpolitik, men verkar samtidigt öppna för att använda existerade system, som handel med utsläppsrätter, om kraven på snabba utsläppsminskningar höjs.

De som fortsätter som vanligt

I den här gruppen hittar vi dem som gillar dagens åtgärder och är positiva till EU, men inte nödvändigtvis driver på för att höja klimatkraven rejält. Här hittar vi Socialdemokraterna, som verkar vilja att EU ska vandra vidare på den inslagna klimatvägen och helst höja ambitionerna lite grann, t.ex. genom att sätta ett slutdatum för försäljningen av bensin- och dieseldrivna bilar, men inte går ut lika hårt med krav på sänkta utsläpp och högre målsättningar som L, C och MP. Efter en viss tvekan får vi också placera Moderaterna här, eftersom åtminstone vissa av deras kandidater placerar miljöfrågor högt bland sina prioriteringar. De verkar också vilja att EU:s klimatarbete ska fortsätta som förut, framför allt handeln med utsläppsrätter.

De som prioriterar annat

Med tanke på hur mycket uppmärksamhet klimatfrågan får i samhället som helhet vore det märkligt om något parti helt undvek att nämna den i sin plattform för EU-valet, men det finns ändå två partier som lägger mindre vikt vid att föra fram sin klimatpolitik. De partierna är Kristdemokraterna och Sverigedemokraterna. Kristdemokraterna har i presentationen av sin EU-politik några allmänna skrivningar kring nödvändigheten av att uppdatera klimatmålen efter hand och det positiva i att Sverige föregår med gott exempel i klimatfrågor. Sverigedemokraterna å sin sida sticker ut genom att vilja ta med fler länder, helst hela världen, i systemet för handel med utsläppsrätter. I övrigt har de dock inte mycket att säga om klimatet.

Så vad blir slutsatsen?

Precis som i den nationella klimatpolitiken slår partiernas grundläggande ideologi igenom i klimatpolitiken på EU-nivå, men partiernas inställning till EU som företeelse påverkar också vad de fokuserar på i klimatpolitiken. Den skarpaste skiljelinjen i det avseendet går mellan partier som är EU-entusiaster och har höga klimatambitiner, som C och L, och de som är EU-skeptiska men har höga klimatambitioner, t.ex. V. Samtliga partier har någon form av klimatpolitik kopplad till EU, men det finns väldigt tydliga skillnader mellan de som prioriterar frågan och de som lägger mer vikt vid annat.

Det vara på sin plats att avsluta med en liten spaning på vilka andra miljörelaterade frågor som partierna tar upp i sina valplattformar. EU har rätt strikta regler kring genmodifierade grödor, men bara två av partierna tar upp frågan i sina valmanifest (L och KD, båda förespråkar försiktighetsprincipen). EU har också ett förslag på gång om att förbjuda engångsartiklar i plast, alltså plastmuggar, plastbestick etc. Det förslaget får desto mer uppmärksamhet av partierna, från Liberalernas förhoppning om ett förbud inte bara för engångsartiklar utan för alla typer av icke återvinningsbar plast och Centerpartiets positiva inställning till plastförbud, via Kristdemokraternas försiktiga bifall, till Sverigedemokraterna, som i sin valplattform påpekar att det mesta plastskräpet i världens hav kommer från Asien. Sådant som kan ge omedelbara men relativt små effekter på människors liv är uppenbarligen lättare att diskutera än sådant som kan få stora effekter på lång sikt. Vilket ju på sätt och vis också är klimatpolitikens dilemma.

Batterier man kan klippa sönder. Kanske.

För ett rätt bra tag sen skrev jag ett inlägg om litiumjon-batterier och om ett nytt material som, om det väl kommer ut på marknaden, skulle kunna göra litiumjon-batterierna bättre och säkrare. Eftersom batterier är så viktiga som de är finns det emellertid fler forskare som försöker hitta batterimaterialet som löser alla problem, och fler förslag på hur det skulle kunna se ut. Det här inlägget handlar om ett annat sådant material, av en helt annan typ, som kanske kan bli en färdig produkt snabbare. Eller...?

Precis som i det förra inlägget handlar det om ett så kallat elektrolytmaterial, alltså det skikt i batteriet som leder litiumjoner från ena sidan till den andra (en längre förklaring finns i det förra inlägget). I det här fallet består elektrolyten av två komponenter: ett mineral som innehåller litiumjoner och en så kallad polymer. Uppfinnarna, som är knutna till det amerikanska startup-företaget Ionic Materials, hävdar att detta är ett vinnande koncept när det gäller både effektivitet och säkerhet, och har demonstrerat att deras batterier fungerar även när de klippts itu på mitten (gör inte detta med ditt mobilbatteri, det kan explodera). Jag har dock inte kunnat hitta någon vetenskaplig artikel som beskriver deras upptäckt. Den detaljerade information som finns tillgänglig, finns i deras patent.

Så vad är det som är så fantastiskt med en polymer-elektrolyt? Polymerer är en grupp av ämnen där molekylerna består av många mindre molekyler av samma sort som skapat kemiska bindningar mellan sig och därmed bildar en enda molekyl, lite som länkar bildar en kedja. Många, men inte alla, av de polymerer vi träffar på dagligen är vad vi kallar "plaster", som polyeten (i plastpåsar) eller polystyren (engångsmuggar), men både stärkelse och cellulosa räknas som polymerer eftersom de är uppbyggda som en kedja av glukosmolekyler.

Eftersom polymerer är så stora molekyler har de lite speciella egenskaper. Den som är viktigast här är att de inte stelnar på samma sätt som andra material när de kyls ner. Om vi kyler ner vatten under fryspunkten bildas iskristaller, där vattenmolekylerna sitter i regelbundna mönster som upprepar sig genom hela kristallen. Eftersom polymererna är så långa är det svårt att få dem att ordna sig i ett regelbundet mönster när man kyler ner dem, så istället hamnar de lite hur som. Ett fast material där molekylerna inte är ordnade som i en kristall räknas som en typ av glas, så därför hör man ofta att polymerer har en "glastemperatur" istället för en fryspunkt eller smältpunkt (som ju vatten har, t.ex). Lite mer komplicerat blir det dock med vissa polymerer, där delar av molekylerna hinner ordna sig till en kristall, men inte hela. Hur stor andel av polymeren som blir en kristall beror till exempel på hur fort man kyler ner den.

Det finns mycket forskning på polymerer i elektrolyter. Ofta verkar polymeren bilda en sorts nätverk som ger stadga åt batteriet, medan ett annat ämne som blandats in i polymeren gör att jonerna kan passera. Emellertid verkar tidigare polymer-elektrolyter ha varit beroende av att polymermolekylerna kan röra sig lite för att litiumjonerna ska kunna passera, vilket har gjort att man fokuserat på polymerer där bara en liten andel blivit kristall och att elektrolyterna fungerar som bäst vid lite högre temperaturer (ca 70 grader verkar vanligt). Det forskarna från Ionic Materials hävdar att de hittat en polymer-elektrolyt som helt undviker de problemen, och som i själva verket fungerar bäst om en större andel av polymeren lyckats bilda kristaller. Den lär yttermera visso vara lätt att producera och fungera bra ihop med själva elektroderna i batteriet.

Exakt hur nära Ionic Materials är att göra en faktisk, användbar produkt är lite svårt att avgöra eftersom vi i praktiken bara har deras egna uppgifter på hur bra materialet är. Hade det funnits en vetenskaplig artikel i en seriös tidskrift så hade det inneburit åtminstone nån sorts rimlighetskoll, men nu finns det inte det. De verkar också gå i en lite annan riktning än tidigare forskning genom att använda en mer kristallin polymer. Å andra sidan verkar de kunna visa upp ett fungerande batteri, och det är svårt att inte hoppas att de lyckas.

Oavsett så var det ju en bra ursäkt för att skriva lite om polymerer, eller hur?

Bättre batterier med glas?

Vad har en smartphone, en laptop och en elbil gemensamt? Antagligen flera saker, men den jag tänker på just nu är att de kräver kompakta, säkra, uppladdningsbara batterier. Idag betyder det i regel ett så kallat litium-jon-batteri.

Som i andra batterier (och bränsleceller, faktiskt) är huvudbeståndsdelarna i ett litiumbatteri två elektroder, en positiv och en negativ, åtskilda av en elektrolyt. I fallet med litiumbatterier består den negativa elektrolyten ofta av ett poröst kolmaterial som kan lagra litiumjoner (grafit till exempel), medan den negativa är en kemisk förening av litium och andra grundämnen, ofta kobolt och syre. När batteriet laddas upp flyttar sig positiva litiumjoner från den negativa elektroden genom elektrolyten till den positiva elektroden, där de blir inbäddade i kolmaterialet. Om du sen slår på mobilen eller datorn, eller startar elbilen, börjar batteriet laddas ur. Då flyttar sig litiumjonerna tillbaka till den negativa elektroden, vilket driver en ström av elektroner från den positiva elektroden, genom kretsarna i telefonen eller bilen, tills de återförenas med litiumjonerna i den negativa elektroden.

Nåja, i själva verket är det inte riktigt så enkelt, till stor del på grund av just elektrolyten. Elektrolyten behöver ha egenskaperna att den kan transportera litiumjoner snabbt, samtidigt som den inte får släppa igenom några elektroner (för då blir det kortslutning). I litiumbatterier brukar lösningen på detta vara salter av litium upplösta i vad man kallar ett organiskt lösningsmedel, alltså någon typ av kolväte i vätskeform.

Att ha en vätska i batteriet har sina sidor bara det - den kan ju till exempel läcka ut om det går hål. I just det här fallet finns det dessutom två andra problem. Det ena är att lösningsmedlen är lättantändliga. Det andra är att om de här lösningsmedlen och metalliskt litium funkar ungefär som vatten och olja - de trivs inte ihop. Visserligen ska inte uppladdningsbara litiumbatterier innehålla metalliskt litium, men när de laddas upp kan det bildas metalliskt litium på den positiva elektroden. På grund av hur litium funkar ihop med elektrolyten bildas det då långa nålar eller stavar av litium, ofta kallade dendriter. När dendriterna blir så långa att de når den andra elektroden kortsluts batteriet och det blir väldigt varmt, vilket kan sätta eld på elektrolyten och orsaka en explosion. I moderna litiumbatterier undviker man det här bland annat genom att styra vid vilken spänning batteriet laddas.

Men visst vore det bättre om man kunde hitta en säkrare elektrolyt? Det är det många som tycker, bland annat professor John Goodenough vid Cockrell School of Engineering, University of Texas, Austin. Goodenough med kollegor har nyligen publicerat en artikel i tidskriften Energy and Environmental Science, där de beskriver en helt ny elektrolyt för litium- och natriumbatterier. Den nya elektrolyten är inte en vätska utan ett "glas" - inte som i fönsterglas, utan i betydelsen att atomerna inte sitter i ordning utan lite huller om buller. Det här glaset funkar tydligen betydligt bättre ihop med metalliskt litium, vilket leder till att om det bildas metalliskt litium vid uppladdningen kommer det att sprida sig över gränsskiktet mellan elektroden och elektrolyten istället för att utvecklas till dendriter. Faktum är att Goodenough et al. ser möjligheter att använda metalliskt litium i sig som elektrod, vilket skulle kunna minska batteriets volym.

Utan dendriter, brandrisk och läckage skulle ett batteri med den nya glaselektrolyten kunna vara betydligt säkrare än dagens batterier, men det finns en annan sak som nästan är mer spännande: Man tror att man ska kunna använda den till natriumbatterier, inte bara litium. Natriumjonen är mycket större än litium och tidigare har man inte kunnat använda den i batterier för att transporten genom elektrolyten blir för långsam. Nu hävdar Goodenough med kollegor att den nya elektrolyten kan transportera natrium tillräckligt fort, vilket skulle innebära stora fördelar. Medan litium bara kan utvinnas på ett fåtal latser världen över, och därför är rätt dyrt, finns natrium i regel nära till hands (i vanligt koksalt, NaCl, till exempel). Natriumbatterier skulle därför kunna var ett bättre alternativ om man vill ersätta stora mängder bensindrivna bilar med elbilar - och det verkar det ju finnas många som vill.

Om man vill läsa mer om detta, men inte vill läsa den vetenskapliga artikeln (som faktiskt är tillgänglig gratis, tack Royal Society of Chemistry) har IEEE Spectrum skrivit om den här.

Bland beräkningar och bränsleceller

När jag höll mitt licentiatseminarium om ett elektrolytmaterial för bränsleceller för snart fyra år sen fick jag frågan om vad jag såg som de största problemen med att ersätta förbränningsmotorer och bensin med bränsleceller och vätgas. Mitt svar, som orsakade viss munterhet i publiken, var att problemen var framställning, förvaring och förbränning av vätgas. Hade någon frågat mig idag hade jag nog svävat lite mer på målet eftersom det är längre sen jag arbetade med de här sakerna, men i princip kvarstår problemen. För att få en ordentlig miljömässig vinst av att byta till väte som bränsle behöver man kunna framställa det effektivt med hjälp av förnybar (eller åtminstone klimatneutral) energi, förvara den på ett säkert och praktiskt sätt som möjliggör att snabbt fylla tanken på en bil, och förbränna den i en bränslecell som håller en rimlig temperatur och en rimlig tillverkningskostnad.

Enligt en text i IEEE Spectrum som jag fick syn på för ett tag sen har man gjort vissa framsteg när det gäller det där med förvaringen. Standardmetoden för att förvara vätgas (och andra gaser för den delen) är i gasflaskor eller tankar under högt tryck. Den förvaringsmetoden har vissa problem, t.ex. risk för explosion om temperaturen blir för hög. Det är möjligt att riskerna skulle gå att hantera, men många som förespråkar vätgas som bränsle skulle hellre se en annan variant: Att man fyller tanken med något annat material som vätgasen sen kan pumps in i och binda till. Det är lite som att förvara vatten i en tvättsvamp istället för i en flaska, förutom att vatten inte kräver flera atmosfärers tryck. Detta ställer dock stora krav på förvaringsmaterialet: Det ska kunna rymma mycket vätgas, så att man kan köra långt på en tank, det ska vara lätt, och vätgasen måste binda tillräckligt starkt till det för att det ska vara stabilt men tillräckligt svagt för att man ska kunna fylla eller tömma tanken fort. Lösningen på problemet antas i regel vara porösa material med många små hålrum. Hålrummen gör både materialet lättare och ger det större yta, d.v.s. mer plats för vätemolekylerna att fastna på.

I artikeln som IEEE Spectrum hänvisar till är det porösa materialet ett nätverk av grafen-lager som sitter ihop med hjälp av nanorör av bornitrid. Bornitrid består som namnet antyder av grundämnena bor och kväve, och kan på samma sätt som grafen framställas i skikt som bara är en enda atom tjocka. Det kan också formas till nanorör, mycket mycket små ihåliga rör vars vägg är ett enda lager atomer. Artikeln bygger på datorsimuleringar av ett nätverk av grafen och bornitrid, och de simuleringarna visar att det resulterande materialet skulle kunna rymma stora mängder vätgas, samtidigt som det skulle vara väldigt lätt.

Betyder det att man har löst förvaringsproblemet för vätgas? Nej, tyvärr inte, även om det här materialet verkar lovande. Det har framställts i laboratorium än, så om det visar sig vara väldigt svårt att tillverka blir det ändå inte så intressant att använda praktiskt. Att man kan räkna ut att materialet är bra för vätelagring borde dock göra det mycket mer intressant att faktiskt försöka framställa det - så vem vet, vi kanske får se det inom några år.

Vad säger termodynamiken om tillväxten?

För nästan tre veckor sedan, tisdagen den 19:e augusti, inträffade den så kallade "Overshoot day". Enligt beräkningar är det den dag då vi förbrukat de resurser jorden producerar i år och denna dag verkar infalla tidigare och tidigare för varje år. I samband med detta skrev Birger Schlaug en artikel i Svenska Dagbladet om hur ökad ekonomisk tillväxt leder till ett överutnyttjande av jordens resurser. Schlaug frågar sig vad som händer bortom tillväxtsamhället och hur vi ska finansiera den välfärd vi alla vill ha.

Den här artikeln fick naturligtvis snabbt svar, först från ekonomen Per Bylund som hävdade att det ur ett ekonomiskt perspektiv inte kan finnas vare sig "Peak oil" eller "Overshoot day", eftersom priser bestäms av tillgång och efterfrågan. Minskar tillgången så höjs priset och då kommer efterfrågan automatiskt att bli mindre. Senare hävdade Mats Williander och Markus Linder att problemet inte är tillväxten i sig utan kopplingen mellan ökad tillväxt och ökad miljöpåverkan. De föreslog en så kallad "cirkulär ekonomi" som utväg för att minska denna koppling. Slutligen påpekade Mikael Höök och Simon Davidsson att naturresurser faktiskt är begränsade trots lagen om tillgång och efterfrågan, samt att inte ens en cirkulär ekonomi kan åstadkomma total frikoppling mellan tillväxt och miljöpåverkan på grund av termodynamikens andra huvudsats.

Så kan termodynamiken tala om för oss vem som har rätt, och vad är egentligen termodynamikens andra huvudsats? Termodynamik rent allmänt handlar om energi, energiomvandlingar och relationen mellan värme och arbete. Historiskt sett utvecklades mycket av termodynamiken från studier av ångmaskiner, och två av de mest grundläggande sambanden i termodynamiken är den första och andra huvudsatsen. Första huvudsatsen säger att energi inte kan skapas eller förstöras, bara omvandlas. När fusionsprocesserna i solen omvandlar massa till strålning, när solens strålar genererar elektricitet i en solcell eller när jag använder elektrisk ström för att koka vatten till en kopp te omvandlas energin mellan olika former, men den finns alltid kvar.

Andra huvudsatsen brukar vara lite svårare att få grepp om eftersom den handlar om entropi. Entropi brukar väldigt förenklat översättas med "oordning", men det är inte vilken oordning som helst. En ökning i entropin innebär att energin i ett system har blivit mer utspridd (och oftast svårare att använda). Om jag lämnar min varma tekopp på ett bord kommer värmeenergi att strömma från tekoppen ner i bordet och ut i den omgivande luften. När tekoppen och rummet har samma temperatur är energin maximalt utspridd och systemet (tekopp+rum) har maximal entropi. Entropin ökar varje gång energi flyttas eller omvandlas (teoretiskt sett kan den vara konstant i vissa fall, men det är svårt att lyckas med i verkligheten). Första och andra huvudsatsen säger alltså att man inte kan skapa ny energi och att varje gång man flyttar eller omvandlar den energi man har så blir den mer utspridd och svårare att använda till något annat.

Sätter detta någon gräns för ekonomisk tillväxt? Antagligen, eftersom produktion av varor och tjänster kräver energi. Med den teknik vi använder idag får vi energi från fossila källor (olja och kol), kärnkraft och förnyelsebar energi. Olja, kol och uran finns alla i en begränsad mängd på jorden och de kan alltså ta slut. Den förnyelsebara energin kommer från solen och där finns en annan gräns: Jorden tar bara emot en viss mängd solstrålning per tidsenhet. Vi har alltså en begränsad mängd energi från fossila bränslen och kärnkraft plus en begränsad energiström från solen. Gränsen för ekonomins tillväxt är då att den inte får kräva mer energi än vad som finns tillgängligt.

Det finns naturligtvis invändningar mot det här resonemanget. Jag föreställer mig att en ekonom skulle invända att tillväxt inte nödvändigtvis betyder att vi konsumerar mer prylar eller tjänster. Vi skulle kunna skapa prylar och tjänster som kan tillverkas och användas med samma energi - och materialåtgång, men som vi tillmäter ett större värde. Ibland kan vi till och med producera saker effektivare, så att vi får fler prylar eller tjänster från samma råvaror. Samtidigt hävdas det att effektivisering av produktion brukar ätas upp av ökningar i konsumtionen, så att energiåtgången ökar ändå [1].

En ekonom skulle faktiskt också kunna hävda att termodynamikens andra huvudsats är helt irrelevant för resonemang kring ekonomi och tillväxt. Detta bygger på två missförstånd. Det första stod en ekonom vid namn Georgescou-Rougen för när han hävdade att all entropi som skapas av mänsklig verksamhet finns kvar på Jorden och förstör den [2]. Det är fel. Jorden är inget isolerat system utan tar hela tiden emot solenergi och ger ifrån sig värmestrålning. Den långvågiga värmestrålningen har högre entropi än solstrålningen, och resultatet av detta är att Jorden hela tiden gör sig av mer entropi än den tar emot. Det andra missförståndet är att eftersom man kan visa att Georgescu-Rougen hade fel så betyder det att termodynamik inte alls är relevant. Som vi har sett ovan är det dock så att den första och andra huvudsatsen tillsammans innebär att vi har en begränsad mängd energi som inte kan återvinnas, och det är i allra högsta grad relevant.

En fysiker, å andra sidan, skulle kunna invända att det finns en potentiell ny energikälla: fusion. Detta går ut på att härma kärnprocesserna i solen och slå ihop kärnor av grundämnet väte för att bilda tyngre grundämnen. Får man detta att fungera så är energiproblemet löst för en lång tid framöver.

Slutligen skulle någon som inte är fullt så insnöad på termodynamik kunna invända att gränsen för tillväxten borde sättas av andra saker än energitillgång. Exempelvis kan vi inte använda all energi som är bunden i olja och kol utan att orsaka betydande klimatförändringar. Dessutom är andra viktiga råvaror begränsade, till exempel metaller som används i industrin eller fosfor och kalium som används i konstgödsel. Även om det i ekonomisk mening inte kan bli brist på t.ex. fosfor, eftersom priset sätts av tillgång och efterfrågan, så kan en lägre tillgång med tillhörande högre pris få allvarliga konsekvenser för människor som behöver mer än de har råd att efterfråga. Den invändningen har jag inget bra svar på.

[1] Tim Jackson, Välfärd utan tillväxt, Ordfront förlag
[2] Martin Andersson och Christer Gunnarsson, Hållbarhetsmyten, SNS förlag 

Oceaner av olja?

DN presenterade igår en fantastisk nyhet: Havsvatten kan användas som bränsle! Det är den amerikanska militären som har lyckats utvinna koldioxid och vätgas ur havsvatten, för att sedan med lämpliga katalysatorer sätta ihop molekylerna till något som liknar flygplansbränsle. Tanken är att hangarfartyg ska kunna tillverka bränsle till flygplan på plats ute på havet, men riktigt så långt har man tydligen inte kommit än.
Fantastiskt, eller hur? Själv började jag genast fundera på några av de saker man valde att inte skriva så detaljerat om i DN:

1. Var kommer energin ifrån?
Att tillverka bränsle är inte samma sak som att tillverka energi - att tillverka bränsle är möjligt men energi kan varken skapas eller förstöras. Enligt en lite mer utförlig artikel från United States Naval Research Laboratory, som står bakom arbetet, så handlar det om en elektrokemisk process där man med hjälp av elektrisk ström gör havsvattnet kemiskt surt (alltså sänker pH-värdet). När havsvattnet blir surare kan man utvinna koldioxid som varit löst i vattnet, antingen som vanliga CO2-molekyler eller i form av kolsyra (ja, faktiskt). Vätgasen kommer från vattenmolekyler som sönderdelas i vätejoner och hydroxidjoner, och dyker upp som en biprodukt i en annan del av processen där man får en basisk lösning istället för en sur lösning. När man väl har vätgas och koldioxid låter man dem reagera i närvaro av en katalysator för att få kolväten, som sedan kan bli flygplansbränsle.

Hela den här tillverkningsprocessen kräver energi. Var ska den komma ifrån? Lite snabbt googlande visar att USA:s större hangarfartyg är utrustade med kärnreaktorer, så de har väl inga problem med energiförsörjningen. I civila sammanhang skulle man kunna driva processen med solceller, vindkraft eller någon annan förnyelsebar energikälla.

2. Varför just flygplansbränsle?
Som det står ovan så kräver tillverkningen av flygplansbränsle från havsvatten energi. Ett ännu mer korrekt sätt att uttrycka det är att energin man tillför under tillverkningen lagras i flygplansbränslet och frigörs när bränslet förbränns i jetmotorn. Så varför vill man lagra energin som just flygplansbränsle?

Att förstå poängen med detta blir lättare om man vet vad alternativen är. Både kärnreaktorer och solceller är för stora och otympliga för att man ska kunna ha dem ombord på ett flygplan eller en bil. (Man kan naturligtvis installera enstaka solceller, men knappast tillräckligt många för att driva fordonet. Speciellt inte när solen går i moln.) Alltså måste energin som produceras lagras på något sätt så att vi kan ta den med oss ombord. Batterier är en möjlighet, men i dagsläget skulle de ta för stor plats i ett flygplan och det går i regel ganska långsamt att ladda dem. Vätgas är ett populärt alternativ bland förespråkare för bränsleceller, men eftersom det är just en gas så uppkommer vissa tekniska problem. Vid normala temperaturer och tryck tar vätgas väldigt stor plats i förhållande till hur mycket energi den innehåller, och förvaring vid höga tryck eller låga temperaturer är komplicerat och riskfyllt. Både batterier och vätgas skulle dessutom kräva att man bygger om flygplanen eller bilarna ganska ordentligt och utrustar dem med elmotorer.

I jämförelse med alternativen ovan framstår ett flytande bränsle som perfekt: Det har hög energitäthet (tar lite plats i förhållande till hur mycket energi det innehåller) och kan relativt snabbt hällas över från en behållare till en annan så tankningen behöver inte ta så lång tid. Eftersom den tillgängliga tekniken är gjord för olika former av olja behövs dessutom inga nya komponenter i själva fordonen - de bara kör på som vanligt med bränsle från en annan källa.

3. Är detta framtidens bränsle?
Detta verkar ju som en väldigt lovande teknik: Om oljan sinar kan vi göra ny olja av havsvatten och solenergi. Jag är dock en smula skeptisk till att det skulle vara det bästa alternativet i längden. Anledningen är att vanliga motorer som drivs av flytande bränslen i regel väldigt ineffektiva jämfört med elmotorer och bränsleceller, så man skulle kunna få större nytta av energin om man lagrar den i ett batteri än som flytande bränsle. Alltså: Det är otroligt intressant om man kan få den här tekniken att fungera, men jag hoppas fortfarande på bränsleceller och förbättrad batteriteknik.

Lägg på ett kol med solcellerna

En forskargrupp i Stanford har konstruerat en ny typ av solcell. Olyckligtvis har den en verkningsgrad på mindre än en procent, vilket är mycket sämre vanliga solceller som kan ha verkningsgrader runt 15 %. Ändå är Stanfordgruppens solcell en nyhet. Varför? Jo, den består enbart av kol.

I en solcell som används idag har man ett mittenskikt som består av kisel eller någon annan halvledare. När halvledaren träffas av ljus kan elektroner exciteras från valensbandet till ledningsbandet, vilket i korthet betyder att de kan börja röra på sig. Detta ger upphov till en elektrisk ström. Ovanför och under mittenskiktet finns elektroder som leder strömmen vidare från solcellen. Den övre elektroden är lite speciell, eftersom den måste vara både ledande och genomskinlig. Ofta använder man indium-tenn-oxid (ITO), som är genomskinligt och ledande men också skört och dyrt (eftersom indium är ett sällsynt grundämne). ITO används även i pekskärmar.

I Stanford-gruppens cell används så kallade kolnanorör i mellanskiktet och mitt nya favoritmaterial grafen i elektroderna. Kol är ett oerhört vanligt grundämne vilket innebär att solcellerna skulle kunna bli billigare. De kan också göras böjligare, vilket kan vara en fördel om man exempel vill täcka en byggnad med dem. En tredje fördel är att tillverkningsprocessen är enklare och billigare än för vanliga solceller. Den låga verkningsgraden är dock en stor nackdel.

Sällsynta och dyra metaller är vanliga inom energitekniken. Förutom indium i solceller finns det neodymium och dyspropium i magneter i vindkraftverk och kraftfulla batterier innehåller litium. Barium-zirkonium-oxid, som jag arbetar med, måste dopas med den sällsynta jordartsmetallen yttrium för att fungera som önskat. Det måste inte heller handla om att metallen är sällsynt, finns den bara inom ett begränsat område (säg ett eller två länder) kan det ändå vara problematiskt. De frågorna diskuteras bland annat här (o.k., texten är från 2011 men situationen har faktiskt inte förändrats jättemycket).

Jag tror att vi i framtiden kommer att se fler försök att ersätta de sällsynta grundämnena genom att konstruera nya material av mer vanligt förekommande ämnen. I de fall där man absolut inte kan ersätta sällsynta metaller hoppas jag få se mer välfungerande återvinning - det är ju inte som att atomerna försvinner för att de använts en gång.