Mini-fabriek op zonlicht werkt nu ook bij bewolking

Zonlicht gebruiken voor een duurzame en goedkope productie van bijvoorbeeld medicijnen. De ‘mini-fabriek’ in de vorm van een blad die chemici van de TU Eindhoven in 2016 presenteerden liet zien dat het kán. Nu komen de onderzoekers met een verbeterde versie: hun ‘mini-fabriek’ is nu in staat de productie op hetzelfde peil te houden, ongeacht de variatie in zonlicht door bewolking of tijdstip van de dag. Daardoor nam ook het gemiddelde rendement toe met ongeveer 20%. Dit dankzij een slim feedbacksysteem dat de productie automatisch langzamer of sneller maakt en nog geen 50 euro kost. Daarmee nemen ze een grote praktische barrière weg voor groene reactoren die puur op zonlicht werken.

Met hun ‘kunstmatig blad’ oogsten onderzoekers onder leiding van de Eindhovense chemicus Timothy Noël zo’n anderhalf jaar geleden veel bewondering. Als eerste slaagden zij erin om met zonlicht chemische reacties mogelijk te maken – iets dat voorheen schier onmogelijk leek. Chemici dromen al tijden van deze mogelijkheid, maar het probleem was lang dat de energie uit het zonlicht onvoldoende in de reactie benut kon worden.

Hun doorbraak schuilde deels in het gebruik van relatief nieuwe materialen (zogeheten luminescent solar concentrators) die een specifiek deel van het zonlicht in hun binnenste opsluiten. Vergelijkbaar met hoe planten dit doen met speciale antennemoleculen in hun bladeren. De tweede vondst was om in deze materialen zeer dunne kanaaltjes aan te brengen waar vloeistoffen doorheen gepompt worden. Dat stelt de vloeistoffen aan voldoende zonlicht bloot om chemische reacties te laten plaatsvinden. Aan de uiteindes van de kanaaltjes stromen vervolgens de eindproducten naar buiten.  

Probleem: niet altijd evenveel zon

Eén van de grootste praktische problemen om dit op grote schaal toe te passen is dat de zon niet altijd even sterk schijnt. Door bijvoorbeeld bewolking, maar ook gedurende de dag varieert zonlicht in intensiteit en samenstelling. “Bij teveel licht krijg je ongewenste bijproducten en bij te weinig licht vinden de reacties niet of te langzaam plaats”, legt Noël uit. “Idealiter past het systeem zich automatisch aan de hoeveelheid inkomend zonlicht aan.”

Het door hen ontwikkelde feedbacksysteem doet precies dat. Het bestaat uit slechts drie relatief eenvoudige elementen. Een lichtsensor meet de hoeveelheid licht dat de kanaaltjes bereikt. Een microcontroller vertaalt dit signaal naar een pompsnelheid. En de pomp perst de vloeistoffen met die snelheid door de kanaaltjes. Dit alles kost bij elkaar nog geen 50 euro. Door met experimenten te bepalen welke pompsnelheid benodigd is bij welke lichtintensiteit konden ze de feedbackloop optimaliseren.

Test op het dak

Naast een test in het lab onder kunstlicht hebben ze hun systeem ook buiten getest in natuurlijk zonlicht, bovenop het dak van één van de gebouwen op de TU/e-campus. Ingesteld op een rendement van 90% hield het systeem de productie een uur lang vrij stabiel tussen 86% en 93%. Hetzelfde systeem zónder feedbackloop varieerde sterk tussen 55% en 97%. Het gemiddelde rendement was dankzij de feedbackloop toegenomen met ongeveer 20%.

Volgens Noël komt hiermee een goedkope en duurzame reactor aanzienlijk dichterbij die op grote schaal chemische producten als medicijnen kan maken, waar je ook maar wilt, met alleen zonlicht als energiebron. “Het is onvermijdelijk dat energieprijzen gaan stijgen. En met een energiebron als de zon die gratis en volop beschikbaar is, kunnen dit soort technologische oplossingen het verschil gaan maken.”

Referentie
Fang Zhao, Dario Cambié, Volker Hessel, Michael Debije en Timothy Noël, Real-time reaction control for solar production of chemicals under fluctuating irradiance, Green Chemistry 2018, 24 april 2018
DOI: 10.1039/c8gc00613j