Onderzoekers van de TU Eindhoven hebben een microreactor gebouwd die zonlicht opvangt en met deze energie direct een chemische reactie laat verlopen. Dit is een efficiënte manier om met duurzame energie chemische producten zoals medicijnen te maken. Vandaag verscheen hun onderzoek in het bekendste tijdschrift voor chemici, Angewandte Chemie.
De basis van de reactor is een zogeheten luminescent solar concentrator (LSC). Dat is een plaatje van doorzichtig kunststof (zie grote foto) dat licht van de zon opvangt en bundelt. De LSC kreeg in dit geval een belangrijke extra eigenschap mee: in het plastic werd een kleurstof bijgemengd. Die kleurstof dient om het invallende zonlicht zo efficiënt mogelijk in te zetten, door het brede zonnespectrum te bundelen in een smaller golflengtegebied.
Dit werkt als volgt: de kleurstofdeeltjes vangen een flink deel van het zonnespectrum op (het rode gebied in onderstaande grafiek), en zenden vervolgens licht met een grotere golflengte weer uit (het groene gebied in de grafiek). Het licht heeft nadat het door de kleurstof gaat precies de golflengte waar een fotokatalysator het absorbeert. Een fotokatalysator is de stof die de chemische reactie in gang zet en aan de gang houdt. In het algemeen geldt: hoe dichter het licht bij de absorbtiewaarde (blauwe piek in de grafiek) zit, hoe efficiënter zonlicht wordt omgezet in energie voor de chemische reactie.
Troebel zeewater
De onderzoekers kozen bij hun onderzoek voor een microreactor, met smalle kanaaltjes, omdat in grotere reactievaten zonlicht niet ver genoeg doordringt om overal de chemische reactie in gang te zetten. ‘Vergelijk het met zeewater. Als je diep in zulk water staat, zie je op een gegeven je voeten niet meer. Het daglicht wordt geabsorbeerd en verstrooid door allerlei deeltjes in het water: vuil, algen enzovoort’, zegt onderzoeksleider dr. Timothy Noël van de Technische Universiteit Eindhoven.
Noël en collega's testten een eenvoudige microreactor van 50 x 50 x 3 mm. Die bleek ongeveer 10 % van invallend zonlicht om te zetten in voor de reactie nuttige energie. Noël: ‘Dat lijkt misschien niet veel, maar de natuur doet het bij de beste planten met ongeveer 1 % efficiëntie, dus we doen het al beter. Er zit bovendien nog rek in.’
Het ontwerp kan handig zijn voor verschillende reacties waarbij licht een rol speelt. Noël: ‘Met dit systeem kunnen we bijvoorbeeld rose oxide maken, een bestanddeel van parfum. Ook artemisinine, een antimalariamiddel, moet zeker gaan lukken.’
Grijze massa
De reactor is een eerste stap op weg naar een duurzamere chemische industrie. ‘Ik weet nog dat ik als student chemische technologie op excursie ging naar de fabrieken van BASF en Bayer in Antwerpen. Ik was echt geschokt door die grote grijze massa van pijpen en ketels’, vertelt Noël. ‘Onze gekleurde reactoren kunnen op termijn wellicht het saaie grijs verdringen. Bovendien draaien de huidige reactoren op fossiele brandstoffen. Onze reactoren gebruiken duurzaam zonlicht.’
Bewolking
Het bijzondere van de Eindhovense microreactor (persbericht 'Kunstmatig blad als minifabriek voor medicijnen') is dat hij niet alleen werkt met fel zonlicht, maar ook bij diffuus licht. Bij bewolking werkt het dus ook, hoewel het rendement dan lager is. Omdat het werkt bij verschillende weersomstandigheden is het idee op veel plekken, in uiteenlopende klimatologische omstandigheden, toe te passen.
Fabriekje aan huis
Een nadeel van de nieuwe microreactor is de beperkte productiecapaciteit. ‘Net zoals een boom vele bladeren heeft, zullen we meerdere reactoren parallel gaan schakelen. Tegelijk zal de productie van bepaalde chemische stoffen lokaal en op een veel kleinere schaal gaan plaatsvinden. Misschien heeft straks iedereen wel een klein chemisch fabriekje in huis’, aldus Noël. Dat is dan wel een fabriekje dat ’s nachts stilvalt, als er geen zon is. Voor sommige producten of chemische reacties is dat niet erg. Voor andere processen, die wel continu moeten plaatsvinden, biedt het opslaan van zonne-energie in batterijen wellicht uitkomst.
Woestijn
De microreactor zou nu al een geschikte optie kunnen zijn voor locaties waar geen gas- of stroomnet ligt. Bijvoorbeeld in de woestijn, of aan het front bij een oorlog. Eerder dit jaar publiceerden onderzoekers van MIT – waar Noël twee jaar als postdoc werkte – over hun compacte, draagbare chemisch fabriekje dat naar wens verschillende soorten geneesmiddelen kan maken.
Het onderzoek van Timothy Noël en collega’s staat beschreven in vakblad Angewandte Chemie, online verschenen op 21 december: artikel 'A leaf-inspired luminescent solar concentrator for energy efficient continuous-flow photochemistry', D. Cambié et al.
Beeldmateriaal Cambié et al., Angewandte Chemie, 2016.
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.