Avanserte materialer kan gjøre oss mindre sårbare i et usikkert verdensbilde

Kritiske grunnstoffer og materialer som er nødvendige for moderne industri, utvinnes eller foredles i stor grad i et fåtall land. Dette gjør europeisk industri sårbar for endringer i handel, geopolitiske konflikter og krig, som kan forstyrre forsyningskjedene og tilgangen på viktige råvarer. For professor Anja Olafsen Sjåstad ved Kjemisk institutt er dette også et materialkjemisk problem.

– Hvis vi kan bruke mindre av de sjeldne råvarene og samtidig sørge for at materialene vi allerede har ikke går tapt, blir vi også mindre avhengige av å skaffe nye, sier Sjåstad.

Hun leder Senter for materialvitenskap og nanoteknologi (SMN) ved Universitetet i Oslo, og forsker på hvordan egenskapene til uorganiske materialer kan forstås og utnyttes.

Noen av verdens dyreste metaller brukes til å lage kunstgjødsel

Et av prosjektene hennes starter på et kanskje overraskende sted: kunstgjødsel.

Kunstgjødsel er helt avgjørende for dagens globale matproduksjon. I produksjonen av salpetersyre, som er en viktig råvare for kunstgjødsel, brukes Ostwaldprosessen. Her oksideres ammoniakk først til nitrogenmonoksid over en katalysator som inneholder platina og rhodium.

Dette er svært verdifulle metaller. Og under de ekstreme temperatur-forholdene i produksjonen kan metallene gå tapt.

Industrien bruker såkalte fangstnett som plasseres etter katalysatoren. Denne fanger platina før den rekker å forsvinne i prosessens varme gasser.

Men løsningen skaper et nytt problem: Fangstsystemet krever selv et verdifullt edelmetall, palladium, som selv kan gå tapt! Samtidig er ikke løsningen særlig god, da det svært verdifulle rhodiumet ikke fanges effektivt.

Sjåstad og kollegene begynte derfor å stille et ganske enkelt spørsmål: Må vi bruke palladium i det hele tatt?

Byttet ut edelmetallet med oksider

I et større forskningsprosjekt utviklet forskerne en alternativ teknologi basert på nye oksidmaterialer.

Resultatene viste at oksidmaterialene kunne fange platina uten det tradisjonelle palladiumnettet. Enda mer interessant var det at systemet også kunne fange rhodium.

– Vi klarte å vise at vi kunne fange platina like godt som med den gamle teknologien. Men som en bonus fanger vi også rhodium, som er enda sjeldnere og svært kostbart, forteller Sjåstad.

Forskerne har også arbeidet videre med kombinasjoner av materialer som kan fange forskjellige edelmetaller fra den samme industrielle prosessen.

Teknologien er patentert, og arbeidet har nå beveget seg videre mot kommersialisering.

Bærekraft er mer enn «grønn» teknologi

Eksemplet illustrerer hvorfor materialvitenskap har fått en stadig viktigere rolle i diskusjonen om Europas teknologiske framtid.

Det handler selvfølgelig om klima og miljø. Men det handler også om industri, økonomi, matsikkerhet og geopolitikk.

– Hvis en industriell prosess kan klare seg med mindre palladium, eller hente tilbake mer platina og rhodium som ellers ville gått tapt, reduseres behovet for nye råvarer. Det betyr igjen mindre eksponering mot land og leverandører Europa ikke nødvendigvis kan regne med i framtiden.

Dette perspektivet blir særlig tydelig når forskningen kobles til kunstgjødsel.

– Uten kunstgjødsel ville vi bare hatt mat til omtrent halvparten av verdens befolkning, sier Sjåstad.

Vi trenger mennesker som forstår materialene

UiO utdanner studenter innen nanoteknologi og materialvitenskap og har samtidig gjort fremvoksende teknologier til et viktig satsingsområde.

Det er lett å forbinde slike fag med teknologier som for tiden får stor internasjonal oppmerksomhet, som batterier, solceller eller hydrogen. Men materialkompetansen er langt bredere.

Nye katalysatorer, halvledere, elektronikk, sensorer, energiteknologi og industrielle prosesser er alle avhengige av at vi kan forstå og kontrollere materialer på atom- og nanonivå.

Og behovet for denne kunnskapen forsvinner ikke dersom én bestemt teknologi viser seg å være mindre lønnsom enn forventet.

Tvert imot kan en mer urolig verden gjøre kompetansen enda viktigere.

For spørsmålet er ikke bare hvordan vi lager grønnere teknologi. Det er hvordan vi beholder tilgang til materialene og teknologien et moderne samfunn ikke kan klare seg uten.