Allteftersom energibehovet växer blir det också viktigare att frigöra sig från beroendet av fossila bränslen. Alltmer energi produceras från förnybara källor, men en utmaning är att möta transportsektorns särskilda krav på lagringsbarhet. Kanske blir lösningen att stöpa solenergi direkt i bränsleform, utan att ta omvägen förbi olja och biobränslen, genom att härma växternas egen energilagring i ett integrerat system?

Behovet av energi fortsätter att öka. I nuläget tillgodoses ungefär en sjättedel av den globala energikonsumtionen av förnybara energikällor: sol-, vind-, vatten-, vågkraft, biobränslen och geotermisk energi. Men andelen växer; IEA uppskattar i sin World Energy Outlook att förnybara energikällor år 2035 kommer att kunna generera tre till fyra gånger så mycket elektricitet som idag.

Inom transportsektorn står förnyelsebara källor för endast tre procent av energin.

Inom transportsektorn står förnyelsebara källor för endast tre procent av energin.

Tittar man på transporter istället för elproduktion är bilden dock en annan; där svarar förnybara källor för bara runt tre procent av energin. Samtidigt härrör runt en fjärdedel av världens totala energikonsumtion från transporter, så sektorn är omfattande. Den långsammare omställningen och det ännu massiva oljeberoendet beror på att flytande kolväten har en rad goda egenskaper som energibärare, som gör dem svårare att ersätta: energin är stabilt lagrad i kemisk form, med hög energidensitet, och är lätt att frisläppa på ett relativt effektivt sätt i förbränningsmotorer. Infrastrukturen är också väl utbyggd.

Vilka är alternativen?

Hur kan dagens bränslen ersättas? Biobränslen är ett alternativ, men kommer med en inbyggd konflikt, eftersom råvarugrödorna – ofta majs eller sockerrör – upptar areal där man annars kunde odla livsmedel. För framtiden finns förhoppningar om att storskaligt kunna odla mikroalger eller direkt kolvätetillverkande mikroorganismer och svampar (t.ex. så kallad myco-diesel), utan att inkräkta på livsmedelsproduktion – eller att jäsa cellulosaetanol av restprodukter från jord- och skogsbruk. De klart vanligaste formerna av biobränsle är dock ännu bioetanol från jäsning av kolhydrater, och biodiesel från organiska oljor.

Till detta kommer elbilar och bränsleceller. Ett dilemma här är skalbarheten. Nära hälften av dagens transporter görs med flyg, tunga lastbilar och fartyg och låter sig svårligen elektrifieras. Att byta ut världens fordonspark är heller ingen liten uppgift; av över en miljard fordon är ungefär ett på femton anpassat för alternativa bränslen. Det räknar in elhybrider och rena elbilar, som utgör mindre än en procent av fordonsparken. (I nuläget är elbilar också avsevärt mer miljöbelastande i produktionsdelen av sin livscykel). Att hitta ett fossilfritt bränsle som går använda i existerande förbränningsmotorer skulle förstås underlätta omställningen avsevärt.

Ett solbaserat bränsle vore idealiskt; på en timme tar jordytan emot solenergi motsvarande mänsklighetens hela årskonsumtion. Solceller direkt på fordon är inte i närheten av att vara nog effektivt i nuläget, men undantaget kärnkraft är det just solenergi i de bränslen vi använder. Den har lagrats i kemiska bindningar – via fossil biomassa som blivit olja, kol och gas, eller via grödor – och i båda fallen, i förlängningen, via växternas fotosyntes.

Naturlig och konstgjord fotosyntes

I den naturliga fotosyntesen kombineras vatten, fotoner och koldioxid till sockerarter och syrgas, med hjälp av klorofyllmolekyler. Av den infångade ljusenergin är det någon procent som omvandlas till biomassa och som kan skördas; en stor del av energin förbrukas av växten själv i så kallade mörkerreaktioner. Själva energibindningen, ljusreaktionerna, är däremot mycket effektiva, med en verkningsgrad på 30-40 procent – att jämföra med i bästa fall 20 procent för dagens solceller.

I Sverige bedrivs en omfattande forskning kring konstgjord fotosyntes.


Kärnan och drivkraften i processen är laddningsseparation: förmågan att hålla laddningar åtskilda, istället för att rekombinera och avge värme. När växterna absorberar ljus får energitillförseln elektroner att avges. I Sverige bedrivs en omfattande forskning kring konstgjord fotosyntes.

De elektronhål som uppstår fylls från en katalysator, ett komplex av manganjoner. Manganet fyller sedan sitt elektronhål från vattenmolekyler bundna vid dess yta. Därigenom spjälkas vattnet till vätejoner och elektroner, med syrgas som restprodukt. Elektronerna som transporteras undan reducerar koldioxid från luften, till kolhydrater.

Klorofyllet kan inte verka utanför växterna – men det är förstås en attraktiv tanke att söka en biomimetisk lösning: att kopiera naturen och försöka skapa en konstgjord, frilagd fotosyntes, där bränsle kan tillverkas i ett fotokemiskt system. Processens råvaror är näst intill outtömliga – sol och vatten – och koldioxid nyttjas som en resurs istället för att bli en förorening.

I Sverige bedrivs en omfattande forskning inom området. Olika forskningsgrupper samlas inom Konsortiet för Artificiell fotosyntes, med huvuddelen av sin verksamhet på Ångströmlaboratoriet i Uppsala.

Målen: robust, integrerad och snabb

Forskningen kring konstgjord fotosyntes har två parallella spår. Det ena är att försöka modifiera cyanobakterier; de avger vätgas naturligt under vissa förhållanden, och där är förhoppningen att på genetisk väg kunna förstärka den egenskapen. Det andra är att tillverka molekyler som kan efterlikna fotosyntesens funktion. Man kan förstås använda ström från solceller till att spjälka vatten, men energiomvandlingarna kostar i effektivitet; drömmen är istället ett helt sammansatt artificiellt system: en integrerad, ljuskänslig supermolekyl som oxiderar vatten med en katalysator och tillverkar vätgas av protoner med en annan.

Vätgas kan användas som bränsle i sig – eller så kan den användas för att konstruera andra bränslen, som syntetiska kolväten, genom Fischer-Tropsch eller andra kemiska processer. Det brittiska företaget Cella Energy menar sig kunna kapsla in väte i mikropärlor, så att det kan användas med samma infrastruktur som flytande bränsle.

Klorofyllmolekyler bryts så småningom ned av ljuset, och växter måste regenerera och självläka kontinuerligt. Ett viktigt mål för forskningen inom artificiell fotosyntes är att finna syntetiska material som är stabila och inte bryts ned för fort.

Flera artificiella blad som fångar solljus, spjälkar vatten och avger vätgas har redan utvecklats, men dyra ingående material som rutenium och palladium eller otillräcklig reaktionshastighet har hittills lagt hinder i vägen för ett kommersiellt genombrott; kostnadsmässigt kan de ännu inte konkurrera med fossila bränslen.

Konsortiet för artificiell fotosyntes försöker kombinera rutenium som ljusfångare med mangan som katalysator, och andra försök med katalysatormaterial görs på andra håll, till exempel titandioxid och koboltoxid. Det sistnämnda är lovande eftersom det är både stabilt och rikligt förekommande.

Helt nyligen har det kanadensiska företaget Firewater Fuel rapporterat framgångar med ett amorft nanomaterial baserat på järnoxid som katalysator.

En hägrande lösning

Konstgjord fotosyntes är en komplicerad sammansättning av svåra delproblem. Även om det sannolikt återstår mycket arbete innan vi kan foga ihop dem, har vi redan börjat bemästra vissa av de enskilda stegen.

Omställningen till förnybar energi är en stor utmaning, i synnerhet när det gäller transporter. Att i en självgående process konvertera solljus till ett lätthanterligt bränsle är en hägrande lösning – men samtidigt en som redan är etablerad och beprövad i form av växternas egen framgångsformel. Att studera naturens metoder och utveckla dem vidare kan kanske komma att öppna en energieffektiv genväg till framtidens rena bränsle.

Artikeln publicerades i april 2013