Hvad er en tandemsolcelle?
Hvornår dimitterer den første solingeniør?
Hvorfor har Danmark flest solvarmeanlæg? Hvordan kan solceller sikre velfærd i Afrika?
PROFESSOR OM MODSTANDEN MOD RENSNING AF DRIKKEVAND:
” Det er besynderligt, at vi behandler spildevandet bedre end drikkevandet.”
Denne sommer bliver nok husket på grund af de mange timer, solen bagte ned over Danmark. Allerede inden sommeren var rigtig i gang, kunne Energinet gå ud med nyheden om, at maj gav rekordstor elproduktion fra de danske solceller, og den tidligere månedsrekord i Danmark var blevet slået med hele 33 pct. Sommeren 2018 slog fast, at solenergi bestemt har en rolle i det danske energisystem. For mens det ene højtryk afløte det næste og lod vindmøllerne stå stille, fik vi alligevel strøm fra en vedvarende energikilde. Forskningen i solenergi er stadig højaktuel, selvom priserne på solcellerne daler, og selve teknologien fungerer og bliver mere og mere udbredt. For det er en teknologi, der fortsat kan udvikles:
• Solcellerne kan gøres mere effektive, så vi høster endnu mere energi på de samme celler.
• Vi kan blive endnu bedre til at opdage defekte solceller, så energihøsten i en solcellepark ikke falder i unødvendig lang tid.
• Materialerne i visse typer af solceller kan erstattes af ugiftige stoffer, så produktionen bliver mere bæredygtig.
• Vi har brug for en intelligent styring af energisystemet, så solenergien bliver integreret og spiller sammen med de andre energiløsninger.
Dette er eksempler på noget af den forskning og udvikling inden for solenergi, hvor DTU er med, og som du kan læse om i dette magasin. Nok bliver Danmark aldrig landet, der masseproducerer solceller. Men solenergi er meget mere end solcelleproduktion. Der er så meget uden om, som også skal fungere, og som kræver hænder til at udføre det – ikke kun fra ingeniører, men fra flee forskellige brancher. Inden for solenergi kan Danmark gennem forskning og udvikling fortsat fide nye løsninger, som vi både selv kan få glæde af i en fossilfri fremtid, og som andre kan få glæde af, når vi eksporterer dem.
Anders Bjarklev
Rektor
GENTEKNOLOGI
Blå jeans på den grønne måde
Enzymforsker kan ved hjælp af E. coli-bakterier skabe en mere bæredygtig farvning af denim.
KATALYSE
Kortere vej til renere dieseludstødning
Modellering giver bilfabrikanter et hurtigt overblik over udstødning.
DYNAMO SPØRGER ... Kan vi drikke vores vand?
Professor Hans-Jørgen Albrechtsen svarer på spørgsmål om de nyeste fund af pesticider i vores grundvand.
DTU’s forskere skaber viden og teknologier, der sikrer en bedre udnyttelse af solen.
14 Tandemsolceller skal være effektive og bæredygtige
16 Avancerede droner jagter defekter solceller
19 Solar DTU er vejen til samarbejde
19 Ny studielinje i solenergi
20 Danmark i verdenstoppen inden for solvarme
22 Solceller kan bane vejen til velfærd i Afrika
24 Solceller, der følger solen
26 Her udvikler de morgendagens energisytem
SYNTESEKEMI
32-årig adjunkt er i spidsen for et internationalt forskerhold, der har skabt et nyt 2D-materiale.
SOLSYSTEMET
Jupiter overrasker igen
Rumsonden Juno har fundet to sydpoler på Jupiter. Fundene giver ny viden om solsystemets anden gaskæmpe; Solen.
UDGIVER Danmarks Tekniske Universitet
Anker Engelunds Vej 1
2800 Kgs. Lyngby
tlf. 45 25 25 25, dtu.dk
ANSV. CHEFREDAKTØR Tine Kjær Hassager
REDAKTION Lotte Krull, lkru@dtu.dk
og L ouise Simonsen, lois@adm.dtu.dk
ABONNEMENT dynamo@dtu.dk
Magasinet udkommer fire gange om året
DESIGN & PRODUKTION OTW A/S
ISSN 1604-7877
FORSIDEFOTO All Over Press
HÆDERSBEVIS
Førende katalyseforsker fik Niels
Bohr-guldmedalje
Professor Jens Kehlet Nørskov hædres for sin forskning, der kan skabe en fossilfri fremtid.
42
REKRUTTERING
Naturvidenskabelige eksperimenter for piger
250 unge kvinder besøgte DTU på Girls’ Day in Science.
Nye modeller viser, hvordan radiobølger udbreder sig rundt om et hoved. Modellerne giver GN Hearing mulighed for at designe høreapparaterne på en ny måde. 28 34
ØRSTED-FORELÆSNING
2D- materialer er mere end grafen
Professor Steven G. Louie fra University of California, Berkeley fortæller, hvorfor vi skal interessere os for andre 2D-materialer end grafen.
NY VIDEN
44
BAGSIDEN
Vi zoomer ind på ... tjah, hvad er det?
E.
Forskere udnytter E. coli-bakterien til en ny og grønnere produktion af indigo til farvning af jeans. Opfindelsen har potentiale til at revolutionere denimproduktionen og gøre den langt mere bæredygtig end i dag.
Hvad er indigo?
For mere end 7.800 år siden fandt et folkefærd i Peru ud af, at de kunne farve bomuld blåt med pigment fra bladene fra indigoplanten.
En af verdens mest udbredte stykker tøj er de blå jeans. De produceres i milliardvis, men faktisk er denimfarvning med den eftertragtede indigofarve ikke særligt bæredygtig. I dag fremstilles op mod 50.000 tons blå indigofarve om året ved kemisk syntese – en produktionsmetode, som er skadelig for miljøet, fordi den involverer både kemikalier, tungmetaller, syreaffald og et stort vandforbrug. Nu har forskere fra UC Berkeley, Joint BioEnergy Institute (JBEI) og DTU Biosustain udviklet en mere bæredygtig metode til at fremstille indigo ved brug af såkaldt skræddersyede bakterier. Bakterier og andre mikroorganismer kan nemlig manipuleres – f.eks. få tilføjet fremmede gener til deres arvemasse – så de bliver i stand til at producere et ønsket molekyle. Forskerne håber, at metoden kan
hjælpe tøjindustrien til at forurene mindre:
”Vi håber, at den biologiske metode kan være med til at fremskynde den grønne omstilling og supplere den kemiske produktion,” siger Ditte
Hededam Welner, forsker ved DTU Biosustain. Hun arbejdede på JBEI, da hun og hendes samarbejdspartnere opdagede et planteenzym kaldet PtUGT1, der kunne overkomme et af de sværeste trin i biosyntese af indigo.
Inspiration i naturen Indigo er et uopløseligt farvestof, som ved kemisk syntese fremstilles i store blokke. Det kræver et såkaldt reducerende kemikalie at gøre indigo vandopløseligt, så det kan bruges til farvning. For at producere indigo i bakterier undersøgte forskerne, hvordan de kunne efterligne naturens måde at fremstille den blå farve på. Indigo
For omkring 6.000 år siden begyndte man i Indien at udtrække det mørkeblå farvestof i større stil. Snart efterspurgte hele verden det dyrebare farvestof. Efterspørgslen blev faktisk så stor i 1800-tallet, at det var umuligt at dyrke nok indigoplanter.
I 1870’erne fandt fysikeren, matematikeren og amatørkemikeren Johann Friedrich Wilhelm Adolf von Baeyer ud af, hvordan indigo kunne fremstilles ved kemisk syntese. I 1905 modtog han Nobelprisen i kemi for at have forbedret den organiske kemi og kemiske industri gennem sit arbejde med farver og hydroaromatiske stoffer.
• Ditte Hededam Welner er gruppeleder for Enzyme Engineering and Structural Biology på DTU Biosustain. Gruppen har specifikt fokus på at bruge enzymer som biokatalysatorer til eksempelvis bæredygtig produktion af lægemidler, farvestoffer og dufte (parfumer og aromaer).
• DTU Biosustain er grundlagt med finansiering af Novo Nordisk Fonden i 2011. Centerets forskere udvikler cellefabrikker baseret på f.eks. gærceller, E. coli og dyreceller. Cellerne er optimerede til at producere store mængder af medicin, fødevareingredienser og kemikalier på bæredygtig vis.
• Cellefabrikker bygges ved at flytte de gener, der instruerer en celle i at producere et interessant molekyle, over til en mikroorganisme ved hjælp af moderne genteknologi.
• Med ny viden og teknologi er missionen at drive omlægningen fra den oliebaserede kemikalieindustri til en mere bæredygtig biobaseret produktion.
biosustain.dtu.dk
plantens blade er grønne, men danner blåt farvestof, hvis de beskadiges. Først producerer bladene et ustabilt mellemprodukt, indoxyl, som hurtigt ilter til uopløselig indigofarve, hvis ikke det stabiliseres. Forskerne kunne forholdsvis enkelt få E. coli-bakterier til at producere indoxyl og dermed indigo, da denne metode allerede var beskrevet i litteraturen. Men indigoen ville stadig være uopløselig og kræve kemisk efterbehandling. Problemet med at bruge barske kemikalier var dermed ikke løst.
Næste trin i plantens indigoproduktion gav imidlertid forskerne en idé til, hvordan indoxyl kunne stabiliseres. I stedet for at omdanne indoxyl direkte til indigofarve tager plante-
cellen nemlig en omvej og omdanner ustabilt indoxyl til det farveløse og ikke mindst stabile stof indikan.
I den japanske indigoplante fandt forskerne det enzym, som kunne omdanne indoxyl til indikan.
Enzymet, som de kaldte glukosyltransferase 1 (PtUGT1), kan stabilisere indoxyl ved at forbinde det med et sukkermolekyle, så man får skabt indikan. Forskerne tog derefter PtUGT1-genet og satte det ind i E. coli-bakterien, og på den måde fik de fremstillet indikan.
Efterfølgende afprøvede forskerne metoden på små stykker stof og et tørklæde. Det hvide stof blev først sprayet med biologisk fremstillet indikan fra bakterierne. Efterfølgende blev stoffet
Farvning af denim belaster i dag miljøet med både kemikalier, syreaffald og tungmetaller.
dyppet i et velkendt enzym, som kan omdanne indikan tilbage til indoxyl. Stoffet blev til sidst hængt til tørre for at ilte indoxylet til blå indigo direkte på tøjet. Og vupti – blå farve udviklede sig!
Ny måde, men samme resultat
Spørgsmålet er, om et par blå Levi’sjeans vil se ens ud, hvad enten de produceres med den nye eller den konventionelle metode. Og det vil de, ifølge Ditte Hededam Welner.
”Hvis de ikke ser helt ens ud, så vil folk ikke købe produktet. I vores studier har vi farvet forskellige bomuldsprodukter, og der er stort set ingen forskel, fordi farvestoffet er præcis det samme,” siger hun.
Den nye metode til fremstilling af indigo er endnu ikke testet i stor skala, og i øjeblikket kan den give et udbytte på omkring fie-syv gram pr. liter ’bakteriesuppe’. For at blive interessant for industrien skal forskerne gerne op at producere mindst 100 gram farve pr. liter.
Partnere står klar i kulissen
Forskningen i den bæredygtige indigoproduktion er støttet af virksomheden Levi’s, der har fokus på at gøre tøjproduktionen grønnere og mere bæredygtig. Og i takt med at flee og flee mærkevareproducenter brander sig som bæredygtige, kan den bæredygtige indigo-produktion vinde indpas, vurderer Richard Jones, professor i brand management og brand governance ved Copenhagen Business School:
”Mærkevarefimaer har generelt stor interesse i at kommunikere, at de ikke kun tænker på profit, men også ser sig selv som en del af en værdikæde, hvor de hjælper samfundet med at løse problemer. Det har en meget stærk symbolsk værdi, hvis man kan lave en historiefortælling om at være bæredygtig og miljøvenlig. Så mange mærker vil fide det interessant at være frontløbere på et stort marked som dette,” siger Richard Jones.
Ditte Hededam Welner , gruppeleder, DTU Biosustain, diwel@biosustain.dtu.dk
”Vi går blot glip af en masse talenter. Det giver ikke mening.”
Kommentar til regeringens udspil om et loft over internationale studerende på danske universiteter. Bragt i Berlingske af bestyrelsesformænd for samtlige danske universiteter, heriblandt DTU’s Per Falholt.
En gruppe DTU-studerende er i gang med at udvikle en ny form for lysbehandling, der skal mindske nedbrydningen af hjernen hos mennesker med alzheimers. Projektet startede som en afsluttende kandidatopgave for to studerende for et år siden efter et tip om et spændende forskningsresultat fra MIT, hvor museforsøg viste, at det er muligt at bremse udviklingen af alzheimers ved hjælp af lys ved præcis 40 Hz. I det forgangne år har flere studerende koblet sig på projektet, der nu også involverer et samarbejde med Købehavns Universitet og Rigshospitalet. Teknologien er afprøvet på Region Sjælland Universitetshospital. I de kommende år skal ingeniørerne have teknologien valideret, ligesom de vil forsøge at opnå de nødvendige medicinske godkendelser.
Et hold diplomingeniørstuderende har udviklet en ide, hvor urinens indhold af fosfor udnyttes til gødning. De har afprøvet bionedbrydelige kapsler, der opsuger urinen. Efterfølgende dehydreres kapslerne, så kun næringsstofferne er tilbage, og disse koncentrerede næringskugler kan så spredes som gødning på marker.
Center for Life Long Learning (DTU Learn for Life) er navnet på et nyt center, der samler og systematiserer DTU’s efteruddannelser fra 1. februar 2019. Centeret bliver dermed indgangen til alle former for deltids- og efteruddannelsesaktiviteter på DTU.
”Det nye center er ambitiøst i både omfang og størrelse, og visionen med det er at opfylde samfundets krav til konstant efteruddannelse og livslang læring,” siger Philip John Binning, dekan ved DTU.
Virksomhed skal levere katalysatorer, der sikrer mindre bilforurening. Forskningssamarbejde er en del af ligningen.
Selvom en del lande bestræber sig på at øge andelen af elbiler og hybridbiler, vil forbrændingsmotorer dominere trafikken i lang tid fremover. Især for den tungeste del af trafikken er dieselmotorer i dag den billigste løsning. Men det er nødvendigt at bringe udledningen af miljøfarlige og helbredsskadelige stoffer fra dieselbilerne ned. Her kommer katalyse ind i billedet. En katalysator er et stof, som fremmer en kemisk proces uden selv at blive forbrugt. Der er fie hovedgrupper af problematiske stoffer i dieseludstødning: sodpartikler, kulbrinter (diesel, som ikke nåede at brænde i motoren), kvælstofoxider (NOx’er) og kulilte (CO). Ved behandlingen af udstødningsrøgen skal man mindske
udslippene af alle fie grupper stort set samtidig inden for meget kort tid og med begrænset plads til rådighed.
Pär Gabrielsson er research director i katalysevirksomheden Umicore, der har overtaget Haldor Topsøes aktiviteter inden for bilkatalyse. Med overtagelsen fulgte også et femårigt samarbejde mellem Haldor Topsøe og DTU Kemiteknik. Pär Gabrielsson forklarer, at der ligger en alternativ tilgang bag de katalysatorer og katalytiske systemer, som Haldor Topsøe udviklede, og som Umicore nu har købt:
”Bilindustrien har f.eks. traditionelt baseret sig på såkaldt mapping. Det vil sige, at man udfører omfattende motortests, hvorefter resultaterne bliver omsat til slå-op-tabeller, hvor man kan se, hvordan emissionerne er under givne forhold. Vi har i stedet valgt en kemiteknisk tilgang, hvor vi er begyndt
med at modellere de kemiske reaktioner, som fider sted under renseprocessen.”
Sparer måneders udviklingstid
Interessen har især samlet sig om kinetik. Det vil sige at kunne beregne reaktionshastigheder og mængder af katalytisk materiale, som indgår. Med udgangspunkt i modellerne kan man forudsige, hvordan en ændring af systemet, som bilfabrikken overvejer, vil påvirke udledningerne. Det er stadig nødvendigt at foretage praktiske tests for at efterprøve beregningerne, men de meget omfattende målekampagner slipper man for.
”Det betyder, at bilfabrikanterne – vores kunder – kan få svar på deres spørgsmål i løbet af dage, hvor de tidligere måtte vente måneder. Det er
de naturligvis glade for, og det er en stor del af forklaringen på, at vi er lykkedes med at etablere os inden for et forretningsområde, der var helt nyt for os,” siger Pär Gabrielsson.
Samarbejdet med DTU Kemiteknik fik navnet NEXT (Next generation exhaust gas cleaning technologies for diesel vehicles). Ud over at uddanne forskere og kandidater har programmet leveret en række forskningsresultater. Virksomheden har allerede taget nogle af resultaterne i brug, mens andre muligvis vil komme i anvendelse senere.
”Forskerne på DTU har modelleret vekselvirkningen mellem de forskellige katalytiske lag, og hvordan porøsiteter i lagenes overflader påvirker katalyttens virkningsgrad. Det lykkedes min kollega Ton Janssens at indarbejde modellerne i vores egen
Umicore Med hovedkvarter i Belgien har Umicore aktiviteter inden for katalyse, genanvendelse, energi samt materialeoverflader. Koncernen har over 10.000 ansatte på verdensplan. Overtagelsen af aktiviteterne hos Haldor Topsøe A/S inden for tung diesel og stationær røgrensningskatalyse omfatter anlæg i Houston (USA), Tianjin (Kina), Joinville (Brasilien) og Frederikssund samt forskning og udvikling i Lyngby. I alt 280 medarbejdere er overført fra Haldor Topsøe til Umicore.
software på et tidligt stadie,” siger Pär Gabrielsson.
Partikler kan blive for små Et andet vigtigt resultat angår størrelsen af de platinpartikler, som katalyserer fjernelsen af NOx. Platin er et kostbart materiale, som det gælder om at udnytte optimalt. En tommelfingerregel siger, at det er godt at have meget små partikler, for så får man større overfladeareal i forhold til mængden af katalytisk materiale. Imidlertid er der trods alt en grænse for, hvor små partiklerne må være.
”Når partiklen bliver så lille, at den kun består af nogle få atomer, optræder der pludselig uhensigtsmæssige fænomener. For det første ændrer geometrien sig på en måde, hvor der bliver færre aktive ’sites’.
Det vil sige færre platinatomer, der er tilgængelige for at katalysere reaktionen. For det andet risikerer man, at partiklen bliver oxideret fuldstændigt. Det vil blokere katalysen,” konstaterer Pär Gabrielsson.
Forsøg i NEXTprojektet har afdækket, at den ideelle størrelse af platinpartiklerne er tofem nanometer.
”Det er et bemærkelsesværdigt resultat, som vi nu arbejder på at omsætte til praksis. Vi har endnu ikke fundet den præcise opskrift, der kan give os den optimale fordeling af partikelstørrelser, men nu ved vi, hvilket mål vi skal arbejde hen mod,” siger Pär Gabrielsson.
I det seneste år er der fundet for høje mængder af pesticider i 250 danske vandboringer mod 30 boringer om året de foregående år. Hvor alvorlig er situationen?
Professor Hans-Jørgen Albrechtsen fra DTU Miljø har i tre årtier forsket i grundvandsforurening. Han mener, at det er på tide at erkende, at moderne teknologi kan være løsningen på de nye problemer.
”Vi bør rense
q: Hvor alvorlige er de nyeste pesticidfund?
a: Det er en usædvanlig situation. Vi har aldrig før fundet så mange uønskede stoffer i vores drikkevandsforsyning inden for så kort en periode. Jeg synes, at det er alvorligt. De nye fund viser tydeligt, at vores grundvand er påvirket. Samtidig ved vi ikke, hvor længe og i hvor store mængder stofferne har optrådt i vores drikkevand. I teorien kan nogle danskere i mange år have drukket vand med pesticidrester langt over grænseværdien. Men vi ved det ikke.
q: Hvorfor dukker stofferne op nu?
a: Fordi man er begyndt at undersøge drikkevandet for dem. Jeg er rystet over, at danske myndigheder allerede for ti år siden havde adgang til oplysninger fra Tyskland om, at et af stofferne, dimethylsulfamid (DMS), kunne udgøre et problem. Det er et nedbrydningsprodukt af et nu forbudt pesticid, men det kan også stamme fra træmaling og imprægnering. Da vandforsyningerne hører om det, opfylder de deres pligt ved at tage initiativ til at screene
for stoffet. Men screeningen kunne have været startet tidligere, hvis myndighederne havde reageret på de første oplysninger.
q: Er det farligt at drikke postevandet?
a: Vi skal ikke gå rundt og være nervøse for vandet i hanerne. Generelt oplever jeg, at vandforsyningerne er omhyggelige og opmærksomme på kvaliteten af det vand, der bliver sendt ud til forbrugerne. Det kan altid blive bedre. Mange steder kommer man f.eks. under grænseværdierne på de uønskede stoffer
ved simpelthen at fortynde vandet med noget, der er renere. Jeg vil mene, at det er bedre at bruge teknologi til at fjerne problemstofferne og dermed helt undgå dem. Det er besynderligt, at vi behandler spildevandet bedre end drikkevandet. Vi vil gerne rense spildevandet for uheldige stoffer, inden vi udleder det i naturen, men drikkevandet fortynder vi.
q: Er teknologierne klar?
a: Nej, ikke til alle stofferne. Aktivt kul kan fjerne en del pesticidrester, men DMS har vist sig at være genstridig, så der skal vi have udviklet en ny løsning. På DTU kigger vi på membranløsninger, og vi har også nogle gode resultater inden for mikrobiologisk rensning af vand. Metoderne skal dog stadig udvikles yderligere, før de kan tages i anvendelse. Vi bør i det hele taget udvikle et teknologisk beredskab, så vi har flee løsninger på hylderne fremover. Det tager op til 50-100 år for grundvandet at blive dannet, så der er en risiko for, at nye stoffer dukker op.
q: Nogle mener, at rensning vil øge pesticidforbruget. Hvad mener du?
a: Det er en tilbagevendende diskussion. Modstandere af rensning siger netop, at det kan blive brugt som argument for, at man bare kan
sprøjte løs ude på markerne, fordi vi alligevel renser vandet bagefter. Men sagen er den, at vi allerede renser vandet for mange andre stoffer. Det er en illusion, at vi drikker vores grundvand urenset. I virkeligheden er tæt på 100 pct. af alt det vand, vi får fra offentlige vandforsyninger, blevet behandlet på en eller anden måde. Desuden er det slet ikke min oplevelse, at der er nogen, som har et stærkt ønske om at forurene grundvandet. Landbruget vil selvfølgelig gerne lave penge, men langt de flete landmænd, jeg kender, vil gerne gøre det
rigtige, så det handler også om at hjælpe dem med det. Det kunne også være interessant at fide ud af, om selve anvendelsen af pesticider, hvor man sprøjter de rigtige mængder på de rigtige tidspunkter, overhovedet udgør et problem.
q: Skal vi finde andre kilder end grundvand?
a: Uanset om vi vælger at indvinde drikkevand fra overfladevand som søer eller at afsalte havvand, så kræver det, at vi renser vandet for at fjerne uønskede stoffer og tilsætter andre for at sikre en god smag.
Mange danskere tror, at de drikker urenset grundvand, men næsten alt vand bliver behandlet på vandværkerne, pointerer professor HansJø rgen Albrechtsen. På fotoet står han på Bagsværd Vandværk, der bruger kulfiltre til vandrensning.
• Forskning og udvikling af teknologi til vandbehandling sker i forskningsgruppen Urban Water Systems med professor Hans-Jørgen Albrechtsen som leder.
Vi kan sagtens blive ved med at bruge grundvand, men vi skal bare erkende, at det er nødvendigt at tage teknologiske løsninger i brug for at få det renset. Dog må vi ikke blive for optimistiske og tro, at teknologi kan redde alt. Vi skal stadig tænke i forebyggelse for at undgå, at forureningen fortsætter. Og den nye teknologi er heller ikke en god løsning, hvis den skaffer os værre problemer på halsen eller koster os dyrt i energiforbrug.
Hans-Jørgen Albr echtsen, professor, DTU Miljø, hana@env.dtu.dk
• Gruppen arbejder også med overvågning og forudsigelser af ekstreme nedbørshændelser, klimatilpasning af byer, der er udfordret af øgede nedbørsmængder, samt håndtering af forskellige vandkvaliteter i byerne.
• Urban Water Systems er en af fire forskningsgrupper på DTU Miljø, Institut for Vand og Miljøteknologi.
• Det er også her, at Water DTU, Center for Water Activities, er forankret. Centeret bygger bro mellem DTU-institutters forskning inden for vand, vandbehandling og vandforbrug i såvel industri som i byer og naturen.
en v.dtu.dk water.dtu.dk
Solenergi vinder frem i disse år. I december 2016 skrev det amerikanske finansmedie Bloomberg, at solen for første gang producerede billigere strøm end vinden. Solcellestrøm udgør endnu kun ca. to pct. af den globale elproduktion, men Det Internationale Energiagentur (IEA) forventer, at solcellerne fortsat vinder frem i de kommende år og vil spille en stadig større rolle i elproduktionen. Solen udnyttes også til opvarmning, og her er Danmark i front. IEA forudser, at efterspørgslen på solvarme også vil fortsætte med at stige. DTU’s forskere arbejder på at finde løsninger, der udnytter solen mere effektivt. Og ikke mindst: De udvikler også det intelligente energisystem, hvor solenergien indgår og skal blive en stadig større del af.
Stort forskningssamarbejde skal bryde grænserne for, hvor meget energi en bæredygtig tandemsolcelle kan producere. Samtidig erstattes giftige og sjældne materialer med bæredygtige alternativer.
Solceller er de sidste ti år blevet bedre og billigere. Billigere, fordi masseproduktionen i Østen har sendt prisen helt i bund. Bedre, fordi forskere og virksomheder har optimeret teknologien, så man får den maksimale mængde energi ud af en solskinstime. Så giver det egentlig mening at blive ved med at forske i solcelleteknologi? Det tyder det store forskningsprojekt Altcell på, at det gør. I projektet vil forskere kombinere to slags solceller og skabe en såkaldt tandemcelle. Målet er at fange flee af solens stråler og skabe et alternativ til siliciumcellen, som dominerer markedet i dag. Samtidig vil forskerne undgå at bruge giftige og sjældne grundstoffer.
Tyndfilm af bæredygtige materialer
En tandemcelle består af en siliciumcelle med en tyndfilmscelle ovenpå.
ffet silicium fides i sand og er billigt, stabilt og bæredygtigt og kan opnå en høj energieffektivitet, som er et mål for, hvor store mængder af solens stråler cellen kan lave til strøm. De flete solceller består i dag udelukkende af silicium og har en energieffektivitet på omkring 20 pct.
”Alle ved, at intet materiale kommer til at slå silicium. Så nu handler det om at bygge noget oven på den eksisterende teknologi, som kan forbedre energieffektiviteten,” siger Alireza Hajijafarassar, hvis ph.d.-afhandling på DTU er en del af Altcell-projektet.
Forskerne forsøger at kombinere siliciumcellen med et lag af tyndfilm bestående af materialet CZTS. Det er et forholdsvis nyt, bæredygtigt materiale, som består af kobber, zink, tin og svovl.
Det er stoffer, som fides i rigt mål i naturen og derfor er billige. CZTS har lige nu en påvist energieffektivitet på omkring ti pct., men forskerne forventer at kunne opnå omkring 20 pct. energieffektivitet
med materialet. Hvis det lykkes dem at kombinere CZTS med silicium, skaber de – forenklet sagt – en tandemsolcelle af bæredygtige materialer, der er dobbelt så effektiv som siliciumsolcellen.
Bæredygtighed giver udfordringer
Der forskes allerede i at udvikle tandemceller flee steder i verden, men typisk forsøger man at kombinere silicium med tyndfilmsmaterialet CIGS, som bl.a. består af indium og gallium. Det er stoffer, som DTU-forskerne ønsker at undgå:
”CIGS er effektivt, men det er ikke bæredygtigt at bruge i solcelleproduktionen på den lange bane, fordi indium og gallium er giftige og sjældne grundstoffer, som er steget voldsomt i pris de senere år. Derfor forsøger vi at benytte en tyndfilm, som kun består af lettilgængelige materialer,” siger Alireza Hajijafarassar.
En af de store udfordringer ved projektet er at skabe et barrierelag, som ligger mellem siliciumcellen og tyndfilmen.
Ph.d.studerende Ali reza Hajijafarassar skal skabe det barrierelag, der ligger mellem siliciumcellen og tyndfilmen.
Som en del af projektet fremstiller forskerne selv siliciumsolcellerne, der udgør bunden af de tandemsolceller, de skal videreudvikle.
”Silicium er ekstremt følsomt over for metallisk forurening, særligt kobber, som bliver brugt i CZTS. Derfor må vi skabe et barrierelag mellem de to celler, som adskiller materialerne fra hinanden og samtidig lader lysets stråler trænge igennem,” siger Alireza Hajijafarassar.
En anden udfordring er at hæve CZTS’s energieffektivitet – en udfordring, som DTU Fotonik allerede begyndte at arbejde med for seks år siden. Dengang var målet at udvikle en ren CZTS-solcelle som et konkurrencedygtigt alternativ til siliciumcellen. Men markedsprisen for et almindeligt 6-kW siliciumsolcelleanlæg inklusive montage er siden 2011 faldet fra omkring 140.000 kr. til 80.000 kr. ifølge tal fra Dansk Energi. De faldende priser spændte ben for fotonikforskernes plan om at gøre CZTSsolcellen konkurrencedygtig.
Derfor forsøger de nu i stedet at kombinere de to teknologier.
”Hvis det lykkes os at kombinere CZTS-tyndfilmen med sili-
ciumcellen, skaber vi et alternativ til den rene siliciumcelle, som kan produceres bæredygtigt og har en højere energieffektivitet end tidligere standarder,” siger Alireza Hajijafarassar.
Ambitiøse mål
Altcell-projektet er et bredt samarbejde mellem forskere fra flee universiteter og virksomheder. En af virksomhederne er katalysatorvirksomheden Haldor Topsøe, der har tre forskere med i projektet.
”Ligesom på vores kerneområde, katalyse, afhænger kvaliteten af tyndfilmssolceller i høj grad af den atomare struktur af de materialer, der indgår i solcellerne. Derfor mener vi, at vi kan gøre en forskel på netop de områder,” siger Rainer Küngas, som er principal scientist hos Haldor Topsøe.
Altcell-samarbejdet tæller ud over ni forskere fra DTU og de tre fra Haldor Topsøe også professorer fra Aarhus Universitet og Nanyang Technological University samt repræsentanter fra to andre virk-
Om Altcell
Målet er at udvikle en tandemsolcelle, som er en kombination af en siliciumcelle og en tyndfilmscelle, hvor man benytter et mere bæredygtigt materiale til tyndfilmscellen.
Projektet er støttet af Innovationsfonden med 24 mio. kr. og bliver ledet af DTU. Det startede 1. januar 2017 og afsluttes i 2020.
Parterne er DTU, Aarhus Universitet, Nanyang Technological University i Singapore, Haldor Topsøe, Inmold og Dansk Solenergi. altcell.eu
somheder. Og der er brug for en bred palet af specialviden, understreger Rainer Küngas:
”Der er ingen tvivl om, at dette projekt har ambitiøse mål. En funktionel CZTS-siliciumtandemsolcelle vil være et videnskabeligt og teknologisk gennembrud. Vi har et stærkt hold med kompetencer og baggrunde, der komplementerer hinanden, og som har viljen til at samarbejde. Det har allerede ført til en del lovende resultater,” siger han og fortsætter:
”Vi forsøger at løse to store udfordringer, som aldrig er løst før. Dels at forbedre effektiviteten af CZTS-cellen, dels at integrere CZTS-cellen med en siliciumbaseret bundcelle. Men vi har nogle idéer og metoder, som ikke er prøvet af andre, og som vi håber kan hjælpe os til at præsentere en løsning,” siger Rainer Küngas.
Jørgen Schou, seniorf orsker og gruppe leder, D TU Fotonik, josc@fotonik.dtu.dk
Dronen er udstyret med et kamera, der ved hjælp af elektroluminescens fanger mindst 70 pct. af defekterne i en solcellepark.
Overvågning af solcelleparker er besværligt, tidskrævende og upræcist. Ofte fanger man ikke alle defekter, hvilket i sidste ende kan skade energiproduktionen. Det vil et nyt droneprojekt lave om på.
Bedre vedligehold, detaljeret viden og optimeret drift. et er i korte træk, hvad ejerne af store solcelleparker kan se frem til med et projekt, der kobler følsom kamerateknologi med professionelle droner til en slags flyvende sporhunde.
Teknologien, der er under udvikling hos bl.a. DTU Fotonik, forventes at være klar i løbet af 2019 og vil radikalt forandre service og vedligehold af professionelle
solcelleparker. Det fortæller Gisele Benatto, postdoc og ph.d. ved DTU Fotonik.
”Jo mere priserne falder på solceller, jo større bliver solcelleparkerne, og derfor stiger antallet af paneler i solcelleparkerne. Det skaber en stor udfordring i forhold til vedligehold og inspektion,” siger Gisele Benatto.
Kæmpe solcelleparker
Moderne solcelleparker har i dag en kapacitet på mindst 10 MW og i mange tilfælde betydeligt mere. Verdens største anlæg i Kina har en effekt på 1,5 GW, og med en typisk effekt på 300 W pr. solpanel bliver det til virkelig mange solceller, der skal inspiceres – ofte under ekstreme forhold med solen bagende ned.
”Vi besøgte en solcellepark i Málaga i juli sidste år. Der var 46 grader varmt. Det er voldsomt krævende for mennesker at inspicere under disse forhold, og det tager enormt lang tid. Med dronen kan vi skanne panelerne automatisk; det går langt hurtigere, og du får et mere præcist billede af panelerne,” siger Gisele Benatto.
Droner bliver allerede anvendt til at overvåge tilstanden af solcelleparker. De kan være udstyret med termografiske kameraer, der kan opdage visse typer defekter, men langtfra alt. Forskerne ved DTU har derfor udviklet et system bygget på elektroluminescens. Et specielt kamera monteres på dronen, som med denne teknologi fanger mindst 70 pct. af de potentielle defekter mod ca. 30 pct. med termografi.
”Ejerne får simpelthen et bedre og mere dybdegående indblik i sundhedstilstanden på deres ofte meget store investeringer,” forklarer Gisele Benatto.
Solcellerne i solpanelet er normalt placeret mellem et lag glas på forsiden, der er transparent, så sollyset kan trænge igennem, men beskytter mod vind og vejr, samt en plastfolie på bagsiden. Selve solcellerne består af plader af silicium med en tykkelse på ca. 200 mikro-
”Med dronen kan vi skanne panelerne automatisk; det går langt hurtigere, og du får et mere præcist billede af panelerne.”
meter. Især disse siliciumplader er meget skrøbelige. Skader kan opstå under transporten, i forbindelse med inspektion eller rengøring eller under ekstreme vejrsituationer som hagl. Gisele Benatto deltog i starten af året i en konference i Colorado, USA, hvor en haglstorm sidste år ødelagde store andele af delstatens solcelleparker.
”Hagl var et stort emne på konferencen, men der er flee forskellige defekter, der kan påvirke strømproduktionen negativt, og mange af dem kan man ikke se i dag selv med en meget grundig visuel inspektion,” lyder det fra Gisele Benatto.
Solpaneler lyser
Elektroluminescens fungerer ved, at man sætter en svag strøm til solcellen. Dette får panelerne til at fungere som store lysdioder, der vil lyse ganske svagt. Lyset er usynligt for det menneskelige øje, men det er rigeligt for kameraet, der er udstyret med en linse af safir og en særlig coating på linsen. Kameraet opfanger forskelle i belysningen fra de enkelte paneler, hvilket giver et detaljeret billede af panelets tilstand. Fejl gør eksempelvis områder på panelet mørke, så forskerne kan se, hvis der ikke løber strøm mellem enkelte dele af panelets kredsløb, fortæller Gisele Benatto.
En af samarbejdspartnerne er virksomheden Kenergy fra Horsens, der bl.a. udfører tekniske inspektioner rundtom i Europa. Ifølge adm. direktør Kenn H.B. Frederiksen tjekker man ofte solpanelerne enkeltvis med termografi. Det sker enten ved en gåtur rundt i solcelleparken eller med drone.
”Den fysiske rundtur tager lang tid, og droneløsningen fider kun de synlige defekter. Med elektroluminescens kan vi opfange flee fejl og skader, eksempelvis mikrosprækker, som udvikler sig over tid og ikke kan ses med termografi,” siger Kenn H.B. Frederiksen.
Det har krævet meget arbejde at integrere kameraet på dronen.
Kameraet monteres på en hexakopter-drone, der med en fart af en meter i sekundet overflyver rækkerne af solceller og tager billeder af de enkelte paneler. Et avanceret GPS-system sikrer, at dronen ved, præcis hvor den befider sig, og med tiden skal farten på dronen øges. Integrationen af kameraet på dronen har krævet en del optimering af dronen, bl.a. programmering af fliht controller og af gimbal, som er den arm, kameraet er monteret på, og som forhindrer uskarpe billeder pga. rystelser.
Sollys udfordrer inspektion
I udgangspunktet burde elektroluminescens ikke fungere om dagen, fordi kameraet bliver blændet af lyset fra solen, der reflkteres i solpanelet. For at løse dette har DTU-forskerne udviklet et system, der gør, at kameraet konstant er synkroniseret med solpanelet og tager billeder i sekvenser, når strømmen skiftevis bliver sluttet til og fra. Dette kompenserer for variationer i sollyset, eksempelvis pga. skyer. Jo mere sollys, desto flee billeder er nødvendige for at opnå en acceptabel billedkvalitet –helt op til 100 billeder pr. solpanel.
”Det kræver bedre filtre på linsen og flee billeder, når man vil inspicere i dagtimerne. Det er stadig et af de områder, vi arbejder
med at udvikle og forfie i øjeblikket. Vi kan ikke flyve om natten, da det giver udfordringer med sikkerheden,” forklarer Gisele Benatto.
DTU-forskerne har bl.a. udviklet det nødvendige billedbehandlingskredsløb til dronen samt algoritmer til kommunikationen mellem dronen og panelerne, så strømmen sættes til panelerne, præcis når dronen er over panelet, og kameraet tager billeder. Få sekunders optagelser er nok til at opnå gigabytes af data; derfor er en anden af opgaverne at komprimere billederne, så systemet ikke drukner i data, forklarer Gisele Benatto. Den første prototype er monteret og testet, og teknologien til billedbehandlingen er udviklet. En del af processen skal stadig automatiseres, men efter planen skal dronen i løbet af sommeren 2019 flyve over solcelleparker i Vandel og i Skive Kommune.
Kenn H.B. Frederiksen fra Kenergy glæder sig til at bruge den fuldt udviklede prototype og ser teknologien som en klar konkurrencefordel.
Fakta
• Projektet hedder DronEL. ’EL’ refererer til elektroluminescens.
• DronEL er et samarbejde mellem DTU Fotonik ved Risø, Aalborg Universitet, Skive Kommune samt virksomhederne SiCon, Kenergy og Sky-Watch.
• Projektet har modtaget støtte fra Innovationsfonden.
”Vi får et nyt analyseværktøj, som vil fide flee fejl. Kan vi gøre dette præcist og så systematiseret, at det bliver en standard i branchen, vil ejerne af solcelleparkerne være interesserede. De kan få udført en kontrol, inden garantier på solcellemodulerne udløber,” siger Kenn H.B. Frederiksen. Gisele Benatto er helt enig. Hun er allerede i gang med næste skridt i projektet, der handler om at bruge fotoluminescens til at oplyse solpanelerne, mens dronen suser forbi, og kameraet skanner panelerne. Samtidig vil machine learning lære systemet at se defekter, og det vil automatisere processen fuldstændigt, forventer hun: ”Det er stadig tidskrævende at slutte strøm til solpanelerne, så vi kan se dem med kameraet. Derfor arbejder vi på at kunne oplyse panelerne med en lyskilde, så vi kan gøre inspektionen endnu hurtigere. Vi håber, at denne teknologi kan være klar inden for fem år eller mindre.”
Gisele Benatt o, postdoc, DTU Fotonik, garb@fotonik.dtu.dk
Lotte Krull
Nu kan studerende på DTU vælge at specialisere sig i solenergi.
Iefteråret 2018 startede DTU, som det første danske universitet, en ny studielinje inden for solenergi. Linjen kan vælges af studerende på kandidatretningen Bæredygtig Energi og er blevet oprettet, fordi solenergibranchen har efterspurgt flee ingeniører med specialiseret viden om solenergi.
”Solenergi forventes globalt at spille en stadig større rolle de næste mange årtier. Den nye studielinje skal medvirke til at sikre højtkvalificeet arbejdskraft il solenergisektoren, så Danmark får nye, innovative virksomheder, der udnytter det internationale boom i solenergi. Det kan føre til nye arbejdspladser i Danmark og en øget eksport,” siger studielinjekoordinator Sune Thorsteinsson, DTU Fotonik.
Med Solar DTU skal det være nemmere at finde ind til universitetets forskning og rådgivning inden for solenergi.
DTU lancerede i efteråret 2017
Solar DTU, der skal sikre en samlet indgang til universitetets forskning og rådgivning inden for solenergi. Solar DTU består af et netværk af syv institutters forskning og udvikling af bl.a. solvarmeanlæg og solceller samt lagring og integration af solenergi i eksisterende energisystemer.
Solar DTU er oprettet med afsæt i solenergibranchens behov, som blev afdækket i en forudgående undersøgelse, der også påviste en branche med stor interesse for at samarbejde med DTU om solenergi. Med Solar DTU kan virksomheder,
De første er klar i 2020
Den nye studielinje er et samarbejde mellem fem DTU-institutters fagligheder for at sikre, at de nye kandidater opnår en solid forståelse af de enkelte komponenter i et energisystem baseret på sol.
Det tager noget tid, før en ny studielinje bliver kendt, men allerede i dette første år var søgningen til linjen næsten lige så stor som til den største specialisering på kandidatuddannelsen for Bæredygtig Energi, som er vindenergi.
Danmarks første civilingeniører med solenergi som speciale vil være færdiguddannede i 2020.
Sune Thorsteinsson, s tudielinjekoordinator, DTU Fotonik, sunth@fotonik.dtu.dk
interesseorganisationer og myndigheder med aktiviteter inden for solenergi lettere komme i kontakt med universitetet vedrørende solenergi og etablere et samarbejde.
DTU kan bl.a. tilbyde test og rådgivning, som understøtter vidensbaseret udbygning af solenergi i Danmark, og som sikrer høj kvalitet i produkter inden for solenergi.
www.solar.dtu.dk
Forskningen på DTU
Danmark er førende i verden inden for solva rme, og udenlandske eksperter rejser til DTU for at forske og teste nye teknologier.
Over de senere år er antallet af store solvarmeanlæg til fjernvarme i Danmark nærmest eksploderet. Stadig flee steder rundt om i landet ser man store solvarmecentraler, der producerer bæredygtig varme til danskerne.
“Der er sket virkelig meget de seneste ti år i forhold til solvarmens effektivitet og pris, og vi har været med hele vejen,” siger Simon Furbo, lektor og leder af forskningsgruppen Solar Heating ved DTU Byg.
Solvarmecentraler defieres som solvarmeanlæg med et solfangerareal større end 500 kvadratmeter. Ved udgangen af 2017 var der 296 solvarmecentraler i drift verden over, hvoraf de 111 anlæg var placeret i Danmark. Ifølge Det Internationale Energiagentur er
75 pct. af verdens samlede areal til solvarmecentraler placeret i Danmark. Det er mere end de samlede arealer i Tyskland, Kina, Østrig og Saudi-Arabien, der indtager de følgende pladser. Danmark er med andre ord ver-
da den også bedst fungerer ved lave temperaturer. En anden faktor, der øger interessen for solvarme, er, at mange af de små kraftvarmeværker er pressede af lavere elpriser som følge af en stigende andel af vindkraft, og
• DTU’s solvarmeforskning ligger på DTU Byg, Institut for Byggeri og Anlæg.
• Forskningen omfatter bl.a. solstråling, sol-
centraler i drift verden over, hvoraf de anlæg var placeret i Danmark.
“Solvarme er ganske enkelt blevet et bedre og billigere alternativ til eksempelvis naturgas,” siger Simon Furbo og påpeger, at den energi, som går til at producere og installere selv de største solvarmecentraler i Danmark, er betalt hjem efter mindre end et år.
Øger troværdighed
Det store antal solvarmecentraler herhjemme betyder, at det er her DTU-forskernes primære fokus ligger. Forskernes aktiviteter går især på at lave målinger og simuleringsmodeller for store solfangerfelter samt beregning af ydelser og optimering af design af felterne.
I Brønderslev testes f.eks. et anlæg med CSP-solfangere (Concentrating Solar Power) på 27.000 kvadratmeter, der bruger olie som solfangervæske. Her udvikler DTU simuleringsmodeller for anlægget og følger dets ydelse. Det sker i samarbejde med virksomheden Aalborg CSP, der producerer solfangere. Ifølge divisionsdirektør Jes Donneborg betyder samarbejdet, at virksomheden får adgang til ekspertise og samtidig øger sin troværdighed over for kunderne.
“I Brønderslev er det DTU selv, som laver måledata og fremlægger dem. Det giver en blåstempling af vores egne måledata, som er
utrolig meget værd for os,” siger Jes Donneborg.
DTU-forskernes viden om solvarme bruges også i mere overordnede sammenhænge og projekter som energiplanlægning og udvikling af internationale metoder og standarder. Lige nu arbejder de tæt sammen med forskere fra 22 universiteter og institutioner i Europa om at skabe en videnskabelig metode, der gør det muligt at sammenligne solvarme med forskellige energiteknologier på en fair måde. DTU leverer beregninger og analyser.
Jens Donneborg peger på samarbejdet om at fide nogle standardiserede måle- og testmetoder som et afgørende felt for branchen globalt.
“Som virksomhed angriber vi feltet fra et kommercielt synspunkt. Kunne man blive enige om at have en fast metode til at måle og præsentere resultater, vil det have stor betydning for vores data, når vi befider os ude i verden,” siger Jes Donneborg.
Kinesere søger mod Lyngby DTU’s ekspertise i solvarme tiltrækker en lang række internationale virksomheder og eksperter til DTU i Lyngby. Det gælder især forskere fra Kina.
“Kineserne har opdaget, at vi er de eneste, som forsker i solvarme i Danmark. Det betyder, at vi næsten hele tiden har kinesiske gæsteforskere og ph.d.-studerende, som er betalte af det kinesiske forskningsråd. Det er vældig interessant, for dansk teknologi med store solvarmecentraler er for alvor ved at blive rullet ud i Kina. Der er virkelig gang i den, specielt i Tibet, der er et af de mest solrige områder i verden,” siger Simon Furbo.
Ifølge en opgørelse fra Det Internationale Energiagentur, IEA, er af verdens samlede areal til solvarmecentraler placeret i Danmark.
Solvarme er altså kommet for at blive som en bæredygtig og billig energikilde. Men solvarme dækker stadig kun to pct. af vores samlede varmebehov. Det vil dog ændre sig radikalt de kommende år, mener DTU-forskeren. Han peger på en analyse fra solvarmeforeningen, der estimerer, at solenergi vil dække 15 pct. af danskernes varmebehov i 2030 og hele 40 pct. i 2050.
“Jeg har arbejdet med solvarme i 40 år og set prisudviklingen. Teknologien bliver hele tiden billigere, systemerne enklere, og erfaringerne større. Vi har slet ikke set toppen endnu,” siger Simon Furbo.
Simon Furbo, lektor , DTU Byg, sf@byg.dtu.dk
Med solceller kan mange afrikanske lande opnå billig elektricitet, flere jobs og en økonomisk vækst, der ikke belaster det globale klima.
SDette er under forandring. I Kenya har en kombination af små solcelleanlæg med batterier, en privat virksomhed og den kenyanske pendant til MobilePay, M-Pesa, skaffet elektricitet til hundredtusindvis af husstande. Pay-asyou-go (PAYG) hedder den nye forretningsmodel, og den skaffer strøm til lavindkomstgrupper i de fjerntliggende egne i Afrika, fortæller Ivan Nygaard, chief scientific avisor ved UNEP DTU Partnership.
”Det er en ny og innovativ forretningsmodel, der startede i 2011 i Kenya, og som nu også fides i Tanzania og Uganda,” siger Ivan Nygaard, der i flee årtier har forsket i og arbejdet med vedvarende energi i udviklingslande og senest også har undersøgt denne nye forretningsmodel, og hvad der skal til for at få den udbredt.
Strøm én dag ad gangen
af dem, der mangler strøm i verden, lever på landet – hovedsageligt i Asien og i Afrika syd for Sahara.
yd for Sahara mangler over 600 mio. mennesker elektricitet. Størstedelen bor på landet, men flee og flee bor også i udkanten af større byer. Fælles for dem er, at de ikke har adgang til et centralt elnet. Befolkningerne i disse strømløse områder har ofte en lav eller uregelmæssig indkomst, som medvirker til, at deres efterspørgsel på elektricitet er lav. Det er med andre ord ikke i disse områder, at husstandene tilslutter tv-apparater, komfurer, hårtørrere, aircondition eller andre forbrugsgoder til elnettet, ligesom områderne heller ikke har nogen strømkrævende produktionsvirksomheder. Der er derfor ikke nogen brændende platform eller en god businesscase i at opføre større kraftværker og udvide elnettet til de mørklagte områder.
PAYG er baseret på mikrobetalinger via M-Pesa, så forbrugeren kun betaler for elektricitet én dag ad gangen. Strømmen bliver produceret af et lille solcellepanel på forbrugerens tag og en tilhørende boks med batteri og tre usb-udgange. Med pakken følger der også tre LED-lamper. For at få installeret solcelleløsningen skal husstanden lægge en mindre udbetaling på 30 USD hos virksomheden, der sælger og installerer anlæggene, og herefter afbeales anlægget løbende sammen med betalingen for strømforbruget. Efter et år ejer forbrugeren typisk sit solcelleanlæg. Et telefonsimkort i anlæggets styreboks kan rapportere til virksomheden om strømforbruget og gør det også muligt for virksomheden at slukke for strømmen, hvis der ikke bliver betalt for den.
”Fordelen ved løsningen er, at forbrugerne undgår at lægge et meget stort beløb for at få installeret et anlæg. Derefter behøver de kun at betale for én dag ad gangen. Er der en dag med lav eller ingen indkomst, så behøver de ikke at bruge deres få midler på elektricitet. På en god dag kan de betale
og få strøm, og så har de igen lys i lamperne og strøm til mobiltelefonen. Løsningen sikrer samtidig, at der er en virksomhed i landet, som tjener penge og beskæftiger lokale medarbejdere,” siger Ivan Nygaard.
Plads til solcelleparker
Han forklarer, at siden priserne på solcellerne er faldet kraftigt de senere år, er solcelleteknologien blevet en kæmpe mulighed for Afrika for at få billig og bæredygtig energi.
”Det er jo en helt fantastisk udvikling. For bare 20 år siden var det helt sikkert, at når vi sendte et solanlæg til Afrika, så gav vi de fattigste den absolut dyreste energikilde. Nu er vi dér, hvor det stort set kan løbe rundt,” siger Ivan Nygaard.
Han beskriver, at solcelleteknologien også har potentiale til at indgå i større løsninger, så det ikke kun er de enkelte husstande, der får elektricitet, men derimod hele landsbyer.
”Modsat Europa er der i Afrika områder med masser af plads og jord, hvor der hverken er landbrug eller tæt bebyggelse. Her kan man, hvis det ellers er muligt at udrede ejerforholdene til jorden, etablere større solcelleanlæg og lade strømmen indgå i mini-grids, dvs. mindre elsystemer, som kan levere strøm til en hel landsby. Man kan også integrere andre former for vedvarende energi som f.eks. vind i disse mini-grids,” siger Ivan Nygaard, der uddyber, at etableringen af mini-grids med solcellestrøm allerede er i gang flee steder i Afrika.
Undgår klimabelastning Én ting er, at solceller kan skaffe millioner af mennesker adgang til elektricitet fra en vedvarende energiressource. Men med solcelleteknologien er det også muligt at bane vejen til flee afrikanske jobs, siger John M. Christensen, direktør for UNEP DTU Partnership.
”Solenergien kan potentielt løse flee problemer på én gang i Afrika. I stedet for at vi – eller kineserne – i bedste mening flyver ind i Afrika med solceller, sætter dem op og rejser igen, så kan de nye forretningsmodeller, hvor private virksomheder benytter afrikansk arbejdskraft il at sælge, opsætte og vedligeholde solcelleanlæg, også afføde en øget beskæftigelse i de afrikanske lande. På den måde får vi løst flee udfordringer end manglen på billig elektricitet. Vi får nemlig også sat gang i en økonomisk og social udvikling i Afrika,” siger John M. Christensen, som tilføjer, at en økonomisk vækst i Afrika også kan betyde, at færre afrikanere rejser til f.eks. Europa for at fide bedre fremtidsmuligheder.
John M. Christensen forklarer, at solcellerne desuden er en vigtig del af de vedvarende energiløsninger, der kan sikre, at den nødvendige
hele
i alt mia. mennesker uden strøm.
udvikling i Afrika ikke belaster det globale klima:
”Alle kan være enige i, at der skal ske en positiv økonomisk udvikling i Afrika. Hvis det skal lykkes, skal afrikanerne have adgang til billig energi. Hvis kontinentet kommer videre på en bæredygtig måde, så udviklingen baseres på vedvarende energi i stedet for olie, gas og kul, så kan Afrika nærmest springe den fossile fase over, som industrilandene brugte til at grundlægge deres velfærd med. Med solceller og anden vedvarende energi kan Afrika løftes, uden at det får negative konsekvenser for det globale klima.”
Ivan Ny gaard, chief scientific advisor, UNEP DTU Partnership, ivny@dtu.dk
John M. Christensen, dir ektør, UNEP DTU Partnership, joch@dtu.dk
UNEP DTU Partnership
• UN Environment, også kaldet UNEP, blev grundlagt i 1972 og har sit hovedkvarter i Nairobi, Kenya.
I Kenya kan borgere, der ikke har adgang til det centrale elnet, alligevel få strøm gennem små solcelleanlæg.
• I Danmark er UNEP bl.a. repræsenteret gennem UNEP DTU Partnership, der er etableret i et samarbejde mellem UN Environment, DTU og Udenrigsministeriet.
• UNEP DTU
Partnership har udviklet sig til en stor global spiller inden for energi, miljø, bæredygtig udvikling og klimaforandringer.
• UNEP DTU
Partnership består af et team på over 70 videnskabsfolk og økonomer fra 27 lande.
• UNEP DTU
Partnership støtter aktiviteter vedrørende reduktion af CO2, energieffektivitet og bæredygtig udvikling i mere end 65 udviklingslande i samarbejde med et bredt netværk af nationale, regionale og internationale institutioner og donorer.
www.unepdtu.org
På DTU Risø Campus står Europas første bifacielle solcellepark. Bifacielle solceller høster energi både forfra og bagfra i modsætning til traditionelle solceller, der kun høster fra én side. Solcellerne er desuden monteret på en drejemekanisme, så de følger solens gang over himlen fra morgen til aften. Solcelleparken blev indviet i oktober og er på ca. to hektar. Den producerer 0,43 megawatt-peak, hvilket svarer til ca. 120 husstandes årsforbrug af el. Teknologien er betalt af den danske energivirksomhed European Energy, der sammen med DTU skal skabe ny viden om denne type solceller.
fo tonik.dtu.dk
Med et udvidet og ambitiøst testlaboratorium skal forskere udvikle et fleksibelt energisystem, der kan forsyne samfundet med varme og el baseret på mange forskellige teknologier.
Danmark har om nogen bevist, at man kan høste masser af energi fra vind og sol og integrere det i energisystemet. En af de store udfordringer er dog at sikre, at energisystemet er i konstant balance, uanset om solen skinner, eller vinden blæser, forklarer Frida Frost, COO ved PowerLabDK, DTU Elektro.
”En stabil energiforsyning kræver, at energiproduktionen matcher forbruget. Ellers er systemet ikke i balance. Et elsystem i ubalance lukker ned, og vi står uden el,” siger Frida Frost.
Danmark har en høj forsyningssikkerhed. Det vil sige, at danskerne sjældent oplever at stå uden el. Sådan skal det helst fortsætte, efterhånden som energiforsyningen bliver stadig mere baseret på vedvarende energi. Samtidig har danskerne også et veludbygget fjernvarme- og naturgasnetværk. Disse forskellige forsyningsløsninger vil DTU tænke sammen i det store testlaboratorium Energy System Integration Lab (Syslab) på DTU Risø Campus. Der er gennem mange år blevet forsket
på Syslab i løsninger til det smarte og intelligente elsystem. Syslab består i dag af bl.a. 2,5 km elnet, der integrerer bl.a. vind- og solenergi og elbiler og forsyner en håndfuld bygninger på stedet. Med en tildeling på ca. 38 mio. kr. fra de såkaldte Unilab-midler skal laboratoriet nu udvides til også at omfatte varmeog gassystemer.
”Vi vil opbygge et multi-energilaboratorium, hvor vi kan teste, udvikle og optimere på endnu flee komponenter og energikilder. Vi vil også få mulighed for at teste udveksling mellem elforsyning og varmeforsyning. Et multi-energilaboratorium giver os et næsten ubegrænset antal kombinationsmuligheder for produktion, lagring, forsyning og
DTU’s forskere tester bl.a. integration af vedvarende energi i testlaboratoriet på DTU Risø Campus.
forbrug. Vi kan teste og demonstrere fremtidens energisystem,” siger Frida Frost.
Og hvis alt går godt, så mærker forbrugerne intet til forskernes indsats.
”Vi arbejder med at gøre energisystemet så intelligent som muligt. Det er højst sandsynligt, at borgerne ikke kommer til at opleve alt det smarte, der bliver udviklet. De opdager det kun, hvis det ikke virker. For så har vi ikke strøm i stikkontakten eller varme i radiatoren,” siger Frida Frost. Det nye multi-energilaboratorium forventes at stå klar på DTU Risø Campus i 2021.
Frida Fros t, COO, PowerLabDK, DTU Elektro, ffrost@elektro.dtu.dk
Fatima Al-Zahraa Al Atraktchis ph.d.-projekt er kåret som årets ph.d.-afhandling på DTU, og den unge forsker er nu administrerende direktør i startupvirksomheden
PreDiagnose. Fatima Al-Zahraa Al Atraktchi udviklede en nano-sensor til lynhurtig detektion af bakterier, der kan give svar på 30 sekunder i stedet for to-tre dage, som er den tid, det tager at detektere bakterier vha. mikrobiologisk dyrkning. Den kan med andre ord spare kostbar tid, når en person er ramt af en alvorlig bakterieinfektion. Ved kåringen til årets ph.d.-afhandling blev Fatima Al-Zahraa Al Atraktchi fremhævet som et sjældent talent, der mestrer to fundamentalt forskellige forskningsområder, nemlig nanofysik og biomedicin/molekylærbiologi.
Antal nye startups fra DTU de seneste to år ifølge analysen ’Iværksætteri på DTU gennem to årtier’, som er udarbejdet af konsulenthuset Iris Group.
DTU Entrepreneurship er et nyt center på DTU, som skal være med til at styrke iværksætterkulturen og styrke økosystemet for startups på DTU. Målet er at bringe forskning og uddannelse inden for entrepreneurskab sammen for at øge aktiviteterne på tværs af institutter og fagligheder.
”Fremtidsforskere forudsiger, at halvdelen af Danmarks jobs om 20 år findes i nye virksomheder, og vi vil gerne være drivkraft og central spiller bag skabelsen af mange af dem,” siger DTU’s rektor Anders Bjarklev.
Det er også fedt at kunne vise til vore nuværende studerende, at de ting, man arbejder med under sit studium, ret hurtigt kan komme ud globalt …”
DTU’s prorektor Rasmus Larsen i Dagbladet Børsen om Apple’s opkøb af virksomheden Spektral, der er startet af tidligere DTU stu derende, som har udviklet en intelligent billedbehandling. Apple har angiveligt betalt 200 mio. kr. for handlen.
Illustrationen
viser Jupiter med angivelse af poler og et meget specielt magnetfelt.
Øverst
I det gulrøde område er nord po len, der ligger som et bånd hen over den nordlige del af planeten.
Midten
Det blågrønne område er Jupiters ’ekstra’ sydpol.
Nederst
Her ses et lille grønt område, som er den ’normale’ sydpol.
Morten Garly Andersen
Solsystemets største planet har to sydpoler og en usædvanlig, langstrakt nordpol. Det viser de nyeste fund fra Juno-missionen, som DTU har leveret udstyr til. Udforskningen af gasplaneten kan give os værdifuld viden om en anden gaskæmpe i solsystemet, nemlig Solen.
Visualisering: NASA/JPL/Caltech/MSSS, Nature/NASA/DTU Space
Jupiter bliver ved med at overraske forskerne. I fjor kunne de konstatere, at dens magnetfelt er markant anderledes, end man hidtil havde antaget. Og nu afslører de nyeste data ude fra solsystemets største planet, at den dynamo, der så at sige driver værket, ikke ligner noget, man kender fra solsystemets andre planeter. Dynamoen i planetens indre, der genererer magnetfeltet rundt om den, er både kraftigere og mere ujævn i styrke og fordeling. Det medfører, at Jupiter har et næsten normalt magnetfelt på den sydlige halvdel, men at den har en ekstra
og meget stærkere sydpol ved ækvator, altså på siden af planeten. Nordpolen mangler derimod næsten helt og er i stedet fordelt i et skråt bånd hen over planetens nordlige halvkugle.
Opdagelserne er baseret på målinger fra NASA’s ubemandede Junofartøj, der siden 2016 har været i kredsløb om den store gasplanet med et stjernekamera fra DTU Space ombord. Den nye viden blev offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Nature i efteråret 2018.
”Det er et ekstremt anderledes billede end forventet, vi får frem af Jupiter i de her år. Det er både meget spændende og ret overraskende. Hvad angår
dynamoen, som driver magnetfeltet, så ligner den intet, vi kender til fra andre planeter, der er undersøgt, inklusive Jorden. Faktisk minder systemet mere om det, der formentlig driver Solens magnetfelt,” siger professor og afdelingsleder John Leif Jørgensen fra DTU Space, der er ansvarlig for den del af missionen, DTU deltager i.
Ledende materialer får dynamoen til at variere Forskerne mener, at den kraftige og ujævnt fordelte dynamo kan skyldes, at dynamoen er dækket af et tyndtflydende lag af stærkt ledende mate
rialer, og at der formentlig optræder pludselige ændringer i lagets ledningsevne. Selve dynamoen findes dybt nede i Jupiter. Jupiters radius (RJ) er 71.492 km, altså 11 gange større end Jordens, og det anslås, at dynamoen befinder sig mellem 0,5 og 0,7 RJ nede, og den får sin energi fra konvektionen i denne dybde.
Feltet fra denne dybtliggende dynamo, mener forskerne, er dipollignende, som det er tilfældet på Jorden – altså et felt, der ligner det, man får fra en stangmagnet. Men de tyndtflydende, overliggende lag omfordeler dette felt dramatisk og giver det
”Det er et ekstremt anderledes billede end forventet, vi får frem af Jupiter i de her år. Det er både meget spændende og ret overraskende.”
JOHN LEIF JØRGENSEN, PROFESSOR PÅ DTU SPACE
magnetfelt omkring Jupiter, som måles med Junomissionen.
”Mekanismen bag dynamoen er overraskende. Alle andre planeter, der er undersøgt, har stort set vist sig at have en dynamo magen til Jordens,” siger John Leif Jørgensen.
Jupiter giver viden om Solen En bedre indsigt i dynamoens struktur på Jupiter kan få stor betydning for forståelsen af, hvordan Solens magnetfelt dannes. Jupiter er nemlig tæt på at være skabt som en sol. Dvs. at den ligesom Solen hovedsageligt består af brint og helium.
Om Juno-missionen
Juno blev opsendt den 5. august 2011 fra Cape Canaveral i Florida og nåede i kredsløb om Jupiter den 4. juli 2016 efter at have tilbagelagt knap tre mia. kilometer.
DTU Space har bl.a. leveret de stjernekameraer, Juno anvender til at navigere efter.
DTU Space forsker også i de data, der hentes med missionen, sammen med bl.a. Harvard University, Caltech og NASA.
Missionen skal primært finde svar på, hvordan Jupiter er dannet og har udviklet sig.
”Jupiter er dog lidt for lille til at tænde og brænde på samme måde som Solen,” fortæller John Leif Jørgensen.
Med Jupiter er der den åbenlyse fordel, at det er muligt at undersøge gaskæmpen på nært hold, fortæller professoren:
”Vi kan komme tæt på Jupiters skytoppe. Men på grund af Solens varme kan vi ikke komme tæt nok på dér til at få detaljerede målinger, så dens magnetfelt er meget vanskeligt at studere i detaljer. Men det er vigtigt at forstå, for det er netop Solens magnetfelt, der skaber det rumvejr, som har så stor betydning for klimaet her på Jorden.”
Hver tur afdækker nye fænomener Junofartøjets bane er specielt designet til at afdække magnetfeltets hemmeligheder på Jupiter.
Det er bl.a. opnået ved at placere fartøjet i en meget elliptisk bane, hvor rumfartøjet dels bevæger sig tæt over planetens skytoppe, når den er tættest
på, og dels kommer langt uden for planetens ioniserende strålingsbælter, når den er længst væk. På den måde kan der indhentes data tæt på planeten, uden at det anvendte udstyr på Juno ødelægges af stråling i området.
Allerede de første passager af Jupiter afslørede et magnetfelt, der er dobbelt så kraftigt som hidtil antaget. De nye opdagelser, som beskrives i Nature, er baseret på Junos første otte omløb omkring Jupiter, hvor hver tur tager 53 dage. Ved udgangen af 2018 vil Juno have foretaget 17 omløb.
”Efter hver ny passage er magnetfeltet blevet udstyret med nye overraskende fænomener. Efterhånden som vi får data fra flere omløb, bliver nettet, som Junos bane lægger om Jupiter, mere og mere finmasket. Så der vil helt sikkert komme flere spændende resultater fra missionen i fremtiden,” siger John Leif Jørgensen.
John Leif Jør gensen, professor, DTU Space, jlj@space.dtu.dk
Juno finder vej med stjernekameraet
Juno-fartøjet navigerer ved hjælp af et stjernekamera, som er udviklet på DTU Space.
Stjernekameraet består af to hoveddele: et digitalkamera, der fotograferer stjernehimlen, og en computer, der matcher digitalbillederne med et stjernekort lagret i computeren. Ved at sammenligne den fotograferede stjernehimmel med stjernekortet kan instrumentet afgøre, hvilken retning det selv, og dermed rumsonden, vender.
Stjernekameraerne har til dato fløjet på mere end 75 internationale missioner.
DTU Space har netop færdiggjort en særlig udgave af kameraet til NASA’s Mars 2020-mission, hvor det skal bruges på det køretøj, der skal lede efter liv på planeten.
Et stjernekamera af guld er netop sendt til USA, hvor det skal indgå i NASA’s Mars 2020 mission.
Professor Dorte Juul Jensen fra DTU Mekanik har modtaget 17,6 mio. kr. i et såkaldt ERC Advanced Grant, som er en EU-bevilling, man kun modtager med virkelig betydningsfulde videnskabelige gennembrud på sit cv. Professoren forsker i metallers indre strukturer og egenskaber, og i de kommende fem år skal hun bl.a. med sine samarbejdspartnere i Danmark, USA, Frankrig og Belgien videreudvikle en teknologi, der gør det lettere at studere materialerne i 4D (x, y, z og tid, red.) i laboratoriet.
Uddøde neandertalerne, fordi homo sapiens-kvinderne ikke var tiltrukket af deres duft?
Med genteknologi og en mosplante vil forskere fra DTU Bioengineering og Københavns Universitet genskabe neandertalernes feromoner, som er et af kroppens signalstoffer, der bruges til at tiltrække en seksualpartner. Nutidige kvinder i alderen 18-30 år skal snuse til de genskabte feromoner og vurdere, om de finder dem seksuelt tiltrækkende eller ej. Hvis testpersonerne konsekvent finder dem utiltrækkende, vil forskerne have en mulig forklaring på neandertalernes uddøen. Forskningen er støttet af Villum Fondens særlige bevillinger til radikale forskningsideer. I alt får 18 dristige DTU-ideer støtte af Villum Fonden.
Så meget over gennemsnittet var havtemperaturen visse steder i Danmark i sommer. Det viser beregninger fra DTU Aqua, der kategoriserer det som en ’ekstrem marin hedebølge’. Forskerne arbejder på at forstå, hvordan varmen påvirker livet i havet.
”Forskerne spredes lynhurtigt for alle vinde, når forskningsprogrammer lukkes ned, og så kan det være svært – hvis ikke umuligt – at genopbygge dem.”
DTU’s forskningsdekan Katrine Krogh Andersen i Altinget om Energiaftalen, der betyder, at den årlige milliard til energiforskning først er opnået igen i 2024, hvilket risikerer at koste forskningsprogrammer.
Et internationalt forskerhold har med en ung kemiker i spidsen designet et nyt 2D-materiale ved at kombinere molekyler fra to eksisterende materialer.
Figurerne viser den atomare struktur i krom kl orid pyrazin. De mørkegrønne ’kugler’ er krom, de lysegrønne ’kugler’ er klor, de blå ’kugler’ repræsenterer nitrogen (kvælstof), og de mørkegrå er karbon (kulstof). Materialet indeholder også brintatomer, men de er udeladt for klarhedens skyld. Figur A viser et udsnit af materialet langs med klor kromkl or ak sen b a. Figur B viser materialet i tre dimensioner, og den lagdelte struktur er tydelig. Den opmærksomme læser kan se, at materialet er tredimensionelt, men forskerne er godt på vej med at få de to lag reduceret til ét lag, så det bliver et ægte 2D ma teriale.
Et internationalt forskerhold ledet af 32-årige adjunkt Kasper Steen Pedersen fra DTU
Kemi har ved hjælp af syntesekemi fremstillet et nyt 2D-materiale. Materialet besidder særlige elektriske og magnetiske egenskaber, der gør det velegnet til fremtidens kvantecomputere og anden elektronik.
Materialet krom-klorid-pyrazin (kemisk formel CrCl2(pyrazin)2) er et lagdelt materiale, som er forløberen for såkaldte 2Dmaterialer. 2D-materialer, der i princippet har en tykkelse svarende til blot et enkelt molekyle, har ofte helt andre egenskaber end det samme materiale i en normal 3D-version. Det gælder ikke mindst for de elektriske egenskaber. I et 3D-materiale har elektronerne frihed til at bevæge sig i alle retninger. Men så længe elektronernes bølgelængde blot er længere end tykkelsen af 2Dmaterialet, vil de være tvunget til at bevæge sig horisontalt.
Kemisk design af materialet Det nye materiale adskiller sig markant fra grafen og de øvrige kendte 2D-materialer, som er uorganiske. Krom-klorid-pyrazin er nemlig en hybrid af et organisk og et uorganisk materiale. ”Materialet er et eksempel på en ny form for kemi, hvor vi er i stand til at udskifte forskellige byggeklodser i materialet og dermed modificee dets fysiske og kemiske egenskaber. Dette er ikke muligt i grafen, hvor du eksempelvis ikke kan vælge, at halvdelen af atomerne i gitteret skal være noget andet end kulstof. Men med vores tilgang er der mulighed for at designe egenskaberne af materialet langt mere nøjagtigt, end man kender fra andre 2D-materialer,” forklarer Kasper Steen Pedersen. Det nye organisk-uorganiske
Kasper Steen Pedersen har ammen med internationale forskerkolleger skabt et nyt materiale, som er en hybrid af et organisk og et uorganisk materiale.
Om det nye materiale
Ved hjælp af syntesekemi har det internationale forskerhold samlet molekylære byggeklodser til det nye materiale krom-klorid-pyrazin, som er en hybrid af et organisk og et uorganisk materiale.
hybridmolekyle udviser en høj evne til elektrisk ledning, som opstår på grund af elektronernes evne til at hoppe mellem de molekylære byggeklodser i to dimensioner gennem materialet.
Ud over at man kan designe de elektriske egenskaber af kromklorid-pyrazin meget nøjagtigt, er det også muligt at ændre de magnetiske egenskaber. Dette er især relevant i forbindelse med spintronik.
”I spintronik benytter man ikke kun elektronernes ladning – som i elektronik – men også deres spin, som er en kvantemekanisk egenskab. Dette har specielt stor interesse inden for kvantecomputing. Udvikling af nanoskala-materialer,
der både er elektrisk ledende og magnetiske, er derfor særdeles relevant,” fortæller Kasper Steen Pedersen.
Kan føre til flere materialer Krom-klorid-pyrazin er ikke kun interessant til anvendelse i kvantecomputere, men også til fremtidens superledere, katalysatorer, batterier, brændselsceller og elektronik i almindelighed.
Der står endnu ingen virksomheder på spring for at fremstille materialet, understreger forskeren:
”Der er stadig tale om grundforskning. Netop fordi vi kommer med et materiale, der er fremstillet ud fra et nyskabende koncept, er der mange spørgsmål at afklare.
F.eks. kan vi endnu ikke sige, i hvor høj grad materialet vil være stabilt til forskellige anvendelser.
Men selv hvis krom-kloridpyrazin skulle vise sig at være uegnet af en eller anden grund, vil de nye principper, som vi har anvendt, stadig kunne bruges.
Det er en helt ny verden af mere avancerede 2D-materialer, som åbner sig.”
Den vellykkede fremstilling af det nye 2D-materiale blev offentliggjort i september 2018 i Nature Chemistry.
Forskerne mener, at kombinationen af organiske forbindelser som pyrazin og magnetiske ioner som krom-klorid generelt vil være velegnet til at fremstille 2Dmaterialer med regulerbare elektriske og magnetiske egenskaber.
Det internationale hold består bl.a. af forskere fra Université de Bordeaux, University of California, Berkeley, University of Oxford, Københavns Universitet og Aarhus Universitet.
Grafen tog alle med storm i nullerne. Men verden er fyldt med alternative 2D-materialer, og nogle af dem kan have potentialet til at revolutionere elektronikken, mener professor Steven G. Louie fra University of California, Berkeley.
Flere gange under interviewet løfter Steven G. Louie papiret på bordet. Det er imidlertid ikke teksten, der interesserer ham. Sedlen er flad ligesom de forskellige materialer i atomtynde lag, der udgør emnet for hans arbejde som professor i fysik ved University of California, Berkeley. Det tilfældige A4-ark er en belejlig model for 2D-materialer. I Steven Louies hænder bliver det snart til grafen, så til molybdænsulfi, senere stakket i lag med andre materialer og undervejs virtuelt udsat for forskellige magnetfelter, temperaturer og lys.
”Siden isoleringen af grafen i 2004 er forskningen i 2D-materialer accelereret. Igen og igen viser de sig at have egenskaber, som er markant anderledes end egenskaberne for de samme materialer normalt,” siger Steven Louie, der i forbindelse med sit besøg på DTU holdt en Ørsted-forelæsning.
afgørende faktor for, hvilken af de tre grupper et materiale tilhører, er, hvor let det er at bringe en elektron i materialet i bevægelse. Den mængde energi, som det kræver at bringe en elektron i bevægelse, kaldes båndgabet. I de elektrisk ledende materialer er der ikke noget båndgab – elektronerne kan vandre frit. Helt modsat er situationen hos de elektrisk isolerende materialer, hvor båndgabet er så stort, at det i praksis ville være uforholdsmæssigt dyrt at overvinde. I den tredje gruppe, halvlederne, er båndgabet lille. Det vil sige, at man kan bringe elektroner i bevægelse ved at tilføre en beskeden mængde energi, som enten kan komme fra varme eller lys. Og i modsætning til de helt ledende materialer som grafen har man i halvlederne fuld kontrol over, hvornår elektronerne skal vandre. Derfor er halvleder-materialer rygraden i nutidens computere.
”Grafen har mange enestående egenskaber, men til anvendelser i fremtidens kvantecomputere vil det formentlig være bedre at benytte 2D-materialer med båndgab,” slår Steven Louie fast.
”I naturen kan man finde mange eksempler på lagdelte materialer. Der er stor sandsynlighed for, at mange af dem kan fremstilles i 2D eller næsten-2D-versioner.”
PROFESSOR STEVEN G. LOUIE, UNIVERSITY
Sammen med kolleger har han studeret molybdænsulfi, MoS2, som netop har båndgab. I materialet er hvert molybdænatom kovalent bundet til seks svovlatomer i en prismefigu. Ved hjælp af teknikken kemisk pådampning fremstillede forskergruppen trekantede enkelt- og tolagssystemer af molybdænsulfi.
Stakkede 2D-materialer til computeren
Ligesom andre 2D-materialer har 2D-molybdænsulfid i sig selv stor styrke, men når man stakker det, er kraften, som holder to lag sammen, svag. Lagene bliver holdt sammen af den såkaldte van der Waals vekselvirk-
ning, der er langt svagere end kemisk binding.
Ved hjælp af fotoluminescens påviste gruppen, hvordan vekselvirkningen mellem de forskellige lag i stakken kan udnyttes til at regulere den elektroniske båndstruktur i molybdænsulfi. Dermed er det muligt at skræddersy materialet, så en ganske lille tilførsel af energi er nok til at få elektroner til at vandre i materialet. Med andre ord kan materialet blive perfekt til at sidde i en kvantecomputer.
”Det er spændende, at man i høj grad kan tune de elektriske og optiske egenskaber i systemet ved at ændre den præcise afstand mellem to lag i stakken. Afstanden kan tilpasses enten under fremstillingen af materialet eller ved senere at påføre et ydre tryk. Muligheden for at regulere de optiske, mekaniske og elektriske egenskaber i systemer åbner for nye anvendelser i apparater,” siger Steven Louie.
Flere gange om året inviterer DTU nogle af verdens førende forskere til at forelæse om deres fagområde, forskningsresultater og perspektiverne i deres forskningsområde på DTU i Kgs. Lyngby. Forskernes fagområder har alle snitflader til forskningen på DTU.
Forelæsningerne er åbne for alle.
Se eller gense videoer med tidligere forelæsere, og få information om kommende DTU Ørsted-forelæsninger.
kortlink.dk/rn56
Husk, at vi lever i en 3D-verden!
Steven Louie gør sig også overvejelser om, hvordan den lille mængde energi, som skal tænde for elektronernes vandring, bedst kan tilføres:
”Vi kan benytte magnetfelter, temperaturændringer eller lys. Endnu er det for tidligt at sige, hvilken teknik der vil egne sig bedst til formålet.”
Desuden skal metoden naturligvis kunne indbygges i et apparat:
Steven G. Louie er professor i teoretisk fysik ved University of California, Berkeley. Han tog sin ph.d. ved samme universitet i 1976. Efter at have arbejdet ved IBM Thomas J. Watson Research Center, Bell Labs og University of Pennsylvania blev han ansat ved University of California, Berkeley, i 1980. Steven Louie er medlem af bl.a. National Academy of Sciences, American Physical Society og American Association for the Advancement of Science. Han har modtaget en lang række videnskabelige hædersbevisninger for sit arbejde i krydsfeltet mellem materialeforskning, fysik og nanoteknologi.
”Vi udtænker vores systemer i 2D, men vi skal jo lige huske på, at vi faktisk lever i en 3D-verden!”
Som teoretisk fysiker bliver det ikke Steven Louie selv, der fremstiller apparaterne, men han forsøger altid at holde et vågent øje med anvendelser:
”Vi laver grundforskning, men inden for materialeforskning er der aldrig langt til praktiske anvendelser.”
Søger inspiration i naturen Stadig flee 2D-materialer kommer til, og blandt dem er der især én type, som interesserer Steven Louie:
”I naturen kan man fide mange eksempler på lagdelte materialer. Der er stor sandsynlighed for, at mange af dem kan fremstilles i 2D eller næsten-2D-versioner. I så fald vil de have den meget store praktiske fordel, at de er meget stabile. Hvis de ikke var stabile, ville de ikke eksistere i naturen!”
I takt med at mange flee 2D-materialer bliver stadig grundigere undersøgt, er Steven Louie ikke i tvivl om, at der også venter en strøm af overraskende videnskabelige opdagelser forude:
Selvom Steven G. Louie laver grundforskning, synes han, at der sjældent er langt til praktisk anvendelse, fordi han forsker i materialer.
”For nylig er det påvist, at elektroner – der som bekendt har masse – i visse 2D-systemer opfører sig, som om de var masseløse partikler i lighed med fotoner. Det er endnu et eksempel på, at de begrænsninger, som 2D-materialer sætter for elektroners opførsel, forårsager fænomener, der er helt anderledes i forhold til de samme materialer i 3D. Det er virkelig spændende at befide sig i et felt, hvor der med få års mellemrum kommer opdagelser, der udvider vores forståelse af den grundlæggende fysik, samtidig med at der åbner sig en vifte af mulige praktiske anvendelser.”
Universitetsalliancen EuroTech, som DTU er en del af, blev i november udvidet med et nyt medlem, da Technion, Israel Institute of Technology, blev optaget i alliancen.
”Udvidelsen skaber nogle muligheder for DTU’s forskere i forhold til at danne nye forskningskonsortier og skabe adgang til ny infrastruktur. Det giver også vores studerende mulighed for at få adgang til endnu et teknisk eliteuniversitets uddannelseselementer, kurser og studieophold,” siger DTU’s prorektor Rasmus Larsen.
EuroTech-alliancen blev stiftet i 2011 og består ud over DTU af schweiziske École Polytechnique Fédérale de Lausanne, hollandske Eindhoven University of Technology og tyske Technical University of Munich. Tidligere på året blev franske École Polytechnique optaget i alliancen.
”Det er meget værdifuldt, at en virksomhed som NIRAS er indstillet på at arbejde sammen med os om at inspirere de studerende.”
Rektor Anders Bjarklev om en ny strategisk samarbejdsaftale mellem DTU og NIRAS, der bl.a. medfører events som skal inspirere DTUstu derende til at være innovative inden for fødevare og p rocesteknologi og transport.
Vindmøller højere end Eiffeltårnet kan være en realitet om få år på det nationale testcenter i Østerild, der drives af DTU. Testfaciliteten bliver udvidet med to nye testpladser, hvor det er tilladt at stille op til 330 meter høje vindmøller op. De nye testpladser skal udnyttes af henholdsvis Siemens Gamesa Renewable Energy og Envision Energy.
I 2017 skyldtes cirka halvdelen af danskernes salmonellainfektioner en udlandsrejse. Bakterierne bliver oftest hentet med hjem fra rejser til Thailand eller Tyrkiet. Det fremgår af den årlige rapport over forekomsten af fødevarebårne sygdomme, som DTU Fødevareinstituttet har udarbejdet i samarbejde
med Statens Serum Institut og Fødevarestyrelsen. Rapporten viser desuden, at ingen af salmonellainfektioner i 2017 var forårsaget af dansk kyllingekød, mens dansk svinekød var skyld i 8,2 pct. af infektionerne. Samlet set har antallet af salmonellatilfælde været stabilt de seneste syv år.
Professor Jens Kehlet Nørskov har modtaget Niels Bohr International Gold Medal som den første danske forsker, siden Niels Bohr selv fik den i 1955.
Niels Bohr International Gold Medal
• Niels Bohr International Gold Medal blev stiftet for over 60 år siden af Ingeniørforeningen (IDA) for at hædre fremtrædende ingeniører og fysikere.
• Medaljen blev første gang tildelt Niels Bohr i 1955. Siden er den kun blevet uddelt yderligere ti gange.
• Jens Kehlet Nørskov er den tolvte modtager af medaljen og kun den anden dansker, der får den.
Niels Bohrmedaljen er gennem tiden tildelt en række prominente forskere, hvoraf hovedparten har været nobelprismodtagere. I oktober 2018 overrakte dronningen medaljen til professor Jens Kehlet Nørskov fra DTU Fysik.
Jens Kehlet Nørskov er ansat i et Villum Kann Rasmussenprofessorat som leder af Center for Katalyseteori på DTU, der er etableret for at understøtte hans internationalt førende forskning i teori om katalyse.
”Jeg er meget overvældet og ydmyg over at modtage medaljen. Det er en stor ære og særlig betydningsfuldt for mig, da Niels Bohr i sin tid skabte grundlaget for de kvantemekaniske analyser, jeg hver dag anvender i min forskning,” siger Jens Kehlet Nørskov.
De kvantemekaniske analyser indgår som en del af de beregninger, Jens Kehlet Nørskov udfører for at kunne forstå og forudse, hvordan materialer opfører sig.
”Jeg har i de senere år særligt interesseret mig for, hvordan katalytiske materialer kan bidrage til at løse de store energimæssige udfordringer, vi står overfor som samfund. Vi er gode til at udnytte vedvarende energikilder som sol og vind, men vi mangler fortsat at løse problemet med at kunne lagre og transportere energien fra de vedvarende energikilder. Hvis jeg med min forskning kan bidrage til at løse bare en lille del af den udfordring, vil det være fantastisk,” siger han.
En bæredygtig fremtid Jens Kehlet Nørskovs vision er at udvikle en helt ny energiteknologi, hvor sol eller vindenergi, vand og CO2
ved hjælp af de rette katalysatorer kan omdannes til brændsler og kemiske stoffer. Det skal ske i et kredsløb, hvorfra der ikke udledes mere CO2, end der anvendes.
”Hvis det lykkes, vil vi i vid udstrækning kunne fastholde det velfærdssamfund og de goder, vi kender i dag. Det handler om at kunne fremstille bæredygtigt brændstof til transportsektoren, ligesom vi har brug for at kunne producere kemikalier, der udgør grundlaget for fremstillingen af så forskellige artikler som plastik, gødning, cement og medicin.”
Selvom han erkender, at det er en vanskelig udfordring at skabe en helt ny energiteknologi på basis af sol, vand og CO2, er Jens Kehlet Nørskov dog fuld af håb:
”Vi har allerede taget det første skridt, som er at forstå, hvor vanskelighederne er, og hvad årsagerne til dem er. Med den indsigt er vi nu i stand til at begynde på at udarbejde løsninger.”
Med anvendelse for øje
Det er kendetegnende for Jens Kehlet Nørskovs forskning, at han spænder vidt. Som teoretisk fysiker er han anerkendt for at have bidraget med nye grundlæggende indsigter, begreber og modeller om katalyse. Han står bl.a. bag introduktionen af begrebet ’scaling relations’, der giver indsigt i fundamentale begrænsninger af en katalysator, og som har dannet grundlag for et helt nyt forskningsfelt inden for overfladefysik og kemi.
Når Jens Kehlet Nørskov skal fremhæve højdepunkterne fra sin mere end 40 år lange forskerkarriere, er det
Jens Kehlet Nørskov fik overrakt guld m edaljen af Dronningen i oktober. BLÅ BOG
• Født 21. september 1952 i Slagelse.
• Professor i fysik og kemi og siden 1. juli 2018 leder af Center for Katalyseteori på DTU.
• Stod fra 2010 til 2018 i spidsen for et stort katalyseforskningscenter på Stanford University i USA.
• Internationalt førende ekspert i katalytiske processer med fokus på at kunne bruge grøn energi til at lave fast eller flydende brændsel.
• Med ca. 100.000 citationer i internationale tidsskrifter formentlig Danmarks mest citerede forsker.
da også de teoretiske kvantespring, der træder tydeligst frem.
”Det er de gange, hvor jeg pludselig har kunnet forstå sammenhængen, ikke blot i enkelte resultater, men i en hel klasse af problemstillinger, og f.eks. har fundet ud af, hvilke egenskaber der gør et materiale til en god katalysator, uanset hvad det skal anvendes til,” siger han.
Jens Kehlet Nørskovs begreber og modeller bliver i dag anvendt som et væsentligt grundlag for forståelsen af katalyse både blandt forskere og i erhvervslivet. Hans indsats begrænser sig dog ikke til det teoretiske niveau, men omfatter også et tæt samarbejde med virksomheder, som har kunnet gøre brug af hans fund af nye materialer, der er anvendelige som katalysatorer i bl.a. energiproduktionen.
Niels Bohrmedaljen blev uddelt af Ingeniørforeningen i Danmark (IDA) i samarbejde med Videnskabernes Selskab, Carlsbergfondet og Københavns Universitet.
Jens Kehle t Nørskov, professor, DTU Fysik, jkno@dtu.dk
”Jens Nørskovs arbejde er af stor betydning samfundsmæssigt. Udviklingen af nye katalysatorer til at omdanne energi fra solen til grønne brændstoffer og kemikalier er af yderste vigtighed for at undgå den omfattende brug af fossile brændstoffer, som er så ødelæggende for miljøet og klimaet. Jens Nørskov går rent videnskabeligt i spidsen for en sådan indsats.”
Viden om radiobølgernes vej rundt om et hoved er vigtig for at kunne placere antennen i et høreapparat, så den sidder optimalt. Modellerne gør det også muligt at lave et nyt antennedesign, der optimerer udstrålingen i den retning, radiobølgerne bevæger sig.
En ny model over radiobølgers vej rundt om hovedet og idéer til nyt design af antennen i et høreapparat er resultatet af et samarbejde mellem GN Hearing og DTU.
Nogle af markedets mindste høreapparater er placeret inde i øregangen og er næsten usynlige for omverdenen. De kommunikerer trådløst via Bluetooth, både med hinanden og med f.eks. en iPhone, der bruges til diskret at styre høreapparaternes indstillinger, så de bedst tilpasses akustikken i omgivelserne eller sluttes direkte til lyden fra eksempelvis et TV. Udviklingen af et høreapparat i miniatureudgave er dog ikke uden udfordringer. En af dem er knyttet til antennen i høreapparatet. Antenner er nemlig særlig følsomme over for påvirkningen fra de ledninger og øvrige metaldele, som høreapparatet består af: mikrofon, højttaler osv. Ydermere udformes de små høreapparater ikke som en standardudgave, men
3D-printes til den enkelte bruger via en afstøbning af øregangen. Det betyder, at antennen og de øvrige dele placeres forskelligt i hvert enkelt høreapparat, der har sit helt eget design.
Ny viden om radiobølger
For at kunne optimere udformningen af antennerne har det derfor været væsentligt at få en større viden om, hvordan radiobølger til og fra antennerne bevæger sig fra øre til øre.
”GN Hearing har samarbejdet med DTU i flee projekter, der har skabt gradvis større viden om, hvordan radiobølgerne fider vej rundt om hovedet. Det er væsentlig viden for at kunne udforme og placere antennen i høreapparatet, så den er optimal i forhold til at modtage og udstråle signaler til høreapparatet i det andet øre,”
siger Søren Kvist, line manager hos GN Hearing.
Det blev Nikolaj Kammersgaard, som var ansat som erhvervs-ph.d. på DTU Elektro og GN Hearing, der på baggrund af det indledende arbejde udformede den endelige model over, hvordan radiobølger typisk løber rundt om hovedet.
”Det har været spændende at arbejde med en model, der ikke blot skulle fungere teoretisk, men også skulle anvendes i praksis til at gøre både høreapparater og trådløse hovedtelefoner, der benytter sig af samme teknik, endnu bedre,” siger Nikolaj Kammersgaard.
Bedømmelse af lydretning
Kommunikationen mellem de to høreapparater i hvert øre hos en bruger
er bl.a. væsentlig for personens mulighed for at kunne bedømme, hvor en lyd kommer fra.
”Høreapparaterne forstærker som udgangspunkt al lyd. Forestil dig f.eks., at du venter på en elevator. Hvis de to høreapparater ikke samarbejder, vil en svag biplyd fra en elevator langt til venstre for dig blive forstærket mere end en høj biplyd fra en elevator til højre for dig, der er meget tættere på. Ved at kommunikere med hinanden kan høreapparaterne afstemme, at lyden fra elevatoren til højre bliver gengivet højest, så brugeren let kan overskue, hvilken elevator der først når frem,” forklarer Søren Kvist.
Nikolaj Kammersgaards model over radiobølgerne har givet ham en god indsigt til efterfølgende at kunne udarbejde en række nye design af antennerne, der optimerer udstrålingen i den retning, radiobølgerne bevæger sig.
”De forslag glæder vi os til at anvende i kommende udgaver af vores små høreapparater,” siger Søren Kvist.
Erhvervs-ph.d. sikrer ny viden
GN Hearing er da heller ikke i tvivl om, at de gerne vil fortsætte samarbejdet med DTU om nye erhvervs-ph.d.er
”Vi har selv en stor udviklingsafdeling, men vi er hængt op på mange projekter med skarpe deadlines og har ikke altid mulighed for at fordybe os i enkelte elementer og udforske dem grundigt, som Nikolaj har gjort. Men vi har brug for den type viden, så vi ikke bare gør, som vi plejer. Vi skal anvende de nye muligheder, som teknologien giver os, til hele tiden at forbedre høreapparaterne,” siger Søren Kvist.
Nikolaj Kammersgaard er efter færdiggørelsen af sin ph.d. blevet ansat i GN Hearing inden for antennedesign.
Kaj Bjarne Jakobsen, lekt or, DTU Elektro, kbj@elektro.dtu.dk
Om forskningen på DTU
Nikolaj Kammersgaards erhvervs-ph.d. var på DTU fagligt forankret i faggruppen Elektromagnetiske Systemer ved DTU Elektro. Gruppen underviser og forsker i elektromagnetisme, antenneteknologi samt mikrobølge-komponenter og -kredsløb med anvendelser inden for bl.a. trådløs kommunikation, telekommunikation, telemåling og medicinsk billeddannelse. Gruppen har samarbejdet med en række danske og internationale firmaer gennem erhvervs-ph.d.-projekter, ESA-projekter samt EU-projekter og er desuden ansvarlig for DTUESA Spherical Near-Field Antenna Test Facility. ems.elektro.dtu.dk
DTU åbnede dørene til flere laboratorier og inviterede piger fra gymnasiet og folkeskolens ældste klasser ind for at snuse til teknologi og naturvidenskab.
Omkring 250 piger
i alderen 1418 år besøgte DTU i september for at arbejde med bl.a. lys, nanoteknologi, musik, strålebehandling og fremtidens energi. Arrangementet var en del af den landsdækkende kampagne Girls’ Day in Science, som er en tilbagevendende begivenhed. Målet er at inspirere flee piger til at vælge en fremtid med teknologi og naturvidenskab – en dagsorden, som DTU
også støtter, fortæller rektor Anders Bjarklev.
”På DTU er andelen af kvindelige studerende stadig kun lidt over en tredjedel, og vi har et stort ønske om at øge andelen. Vores foreløbige mål er, at kvinder skal udgøre 45 pct. af de studerende, hvilket svarer til den andel af kvinder på en årgang, der har de formelle adgangskrav til DTU. Vi mener, at det er vigtigt, at flee kvinder bliver en del af den teknologiske udvikling, samfundet går igennem. Jo større diversitet vi har blandt vores studerende, jo flee forskellige løsninger kan de fremtidige ingeniører udvikle,” siger
Anders Bjarklev.
På Girls’ Day in Science deltog ud over DTU desuden 39 virksomheder, uddannelsesinstitutioner og science-centre i hele landet, der tilsammen fik besøg af omkring 1.700 piger.
Christina Madvig Chris tensen, specialkonsulent, cchr@adm.dtu.dk
Piger fra gymnasiet og folkeskolens ældste klasser brugte en dag på DTU på Girls’ Day in Science.
Det var ’hands on’ på DTU, hvor pigerne fik lov til at lave en række mindre eksperimenter.
Hvis du ikke allerede er abonnent på Dynamo, eller hvis du kender nogen, der kunne tænke sig at få magasinet tilsendt, så husk, at det er ganske gratis.
Send en mail med navn og arbejdseller privatadresse til dynamo@dtu.dk. Så lander magasinet i din postkasse eller på dit skrivebord fire gange om året.
Skriv til dynamo@dtu.dk – og få Dynamo tilsendt.
I et lille reagensglas i et af DTU’s kemilaboratorier ligger et helt nyt materiale, som ikke forekommer naturligt på Jorden. Materialet, der ser ud som kulstøv, er skabt ved hjælp af syntesekemi og er en hybrid af organiske og uorganisk molekyler.