Her opfinder de energiteknologi til en bæredygtig fremtid

På tredje etage i Climate Challenge Laboratory sidder Tejs Vegge. Han er professor på DTU og står i spidsen for Pionercenteret CAPeX (se faktaboks), som er en af Danmarks største satsninger inden for materialeudvikling til Power-2-X. I et samarbejde med blandt andre Aalborg Universitet og en række danske og internationale samarbejdspartnere skal Tejs Vegge udvikle nye materialer til den grønne omstilling. Centeret producerer og håndterer enorme mængder data om nye energimaterialer, som forskerne fra en række fagområder tager afsæt i. Hvert sekund leverer computermodeller og machine learning algoritmer i CAPeX de bedste bud på nye materialer. Herefter udfører automatiserede synteserobotter komplekse kemiske reaktioner i et tilsvarende højt tempo og med høj præcision og effektivitet.

De data, som CAPeX’s algoritmer og modeller er trænet på, er bl.a. udviklet af professor Jens Kehlet Nørskov og hans center CATTHEORY på 5. sal i bygningen. Jens Kehlet Nørskov er internationalt anerkendt for sin forskning i bæredygtig energi og katalyse, som er en proces, hvor et fast eller flydende stof bruges til at øge hastigheden af kemiske reaktioner. Han har blandt andet udviklet kvantefysiske beregningsmetoder på supercomputere til at simulere processerne, og udviklet metoder, der kan bruges til at designe nye katalytiske materialer.

Tejs Vegge forklarer, at uden Jens Kehlet Nørskovs opdagelser og modeller havde det ikke været muligt at foreslå nye materialer i så hurtigt et tempo.

”I dag kan vi bruge kunstig intelligens til at se mønstre i data og til at lave lynhurtige modeller, der kan bruges til at foreslå nye materialesammensætninger, som rækker ud over de data, modellerne er bygget op af. Det har man ikke kunnet før. Man har ikke haft hardwaren til at håndtere så store datamængder, og datakraft og modeller, der kan tænke ud af boksen. Det kan man nu, og det gør modellerne i stand til selv at foreslå helt nye materialer,” siger Tejs Vegge.

Arbejde i beskyttet atmosfære

I stueetagen sidder forskerne i forskningsfaciliteten E-MAT (se faktaboks) klar til at arbejde videre med materialerne og undersøge dem i et lukket kredsløb - en slags kombineret kuvøse og materialefabrik.

Materialerne placeres i et beskyttet miljø i en atmosfære, hvor ilten er erstattet af argon-gas i stedet for luft – en såkaldt inert atmosfære, hvor kemiske reaktioner kan kontrolleres nøje uden påvirkning fra ilt eller andre gasser. Faciliteten er den første af sin art i Nordeuropa og består af 15 handskebokse, der er forbundet og omfatter en klynge af vigtigt udstyr. Der er bl.a. topmoderne metoder, som gør det muligt at kontrollere materialernes overflader og grænseflader på atomar skala og sikre håndtering af sarte materialer.

Professor Nini Pryds leder E-MAT og forklarer, at faciliteten giver mulighed for at undersøge nye energimaterialer helt fra atomniveau til makroskopisk niveau, dvs. materialer, forskerne kan holde i hånden og kigge på. Han mener, at forskningen i det beskyttede miljø er helt afgørende, hvis forskningen skal gå nye veje og opdage nye energi materialer og muligheder, der ikke er kendte i dag.

”Opgaven er at tænke ud af boksen og opfinde nye koncepter for design materialer. Vi kommer ikke i mål med at løse klimakrisen og levere fremtidens energi-løsninger, hvis vi fortsætter med at gøre mere af det, vi plejer at gøre. Vi skal tænke i løsninger, vi ikke kender i dag,” siger Nini Pryds.

Kemiens tryllestav

I kælderetagen af Climate Challenge Laboratory kan forskerne i et elektronmikroskop i grundforskningscenteret VISION undersøge og analysere materialers struktur og egenskaber på atom-niveau. Analyserne skal kaste lys over, hvordan atomerne er arrangeret i materialet, og hvordan denne struktur påvirker materialets katalytiske egenskaber.

VISION-mikroskopet er det forskerne kalder ’one-of-a-kind’ – det eneste elektronmikroskop i verden, der udmærker sig ved at kunne visualisere katalysatorer accelere kemiske processer i så høj opløsning. En helt unik forskningsfacilitet, som er blevet muliggjort af den hidtil største enkeltbevilling fra Danmarks Grundforskningsfond på 85.8 mio. kr., forklarer professor Stig Helveg, som leder VISION.

”Vi stiller helt grundlæggende spørgsmål om kemiske forhold. Vi er optaget af at undersøge for at forstå katalyse på atomart niveau, og det skaber viden som kan udnyttes i udviklingen af nye materialer og katalysatorer. Vores ypperste mål er dog at se en kemisk reaktion atom for atom, mens den sker,” siger Stig Helveg.

Stort set alle faggrupper i Climate Challenge Laboratory undersøger forskellige aspekter ved katalyse, som Stig Helveg kalder kemiens tryllestav, og selv om der er forskelle i de enkelte projekters målsætninger, så er det nødvendige og produktive modsætninger, mener Stig Helveg.

”Det spændingsfelt, der er mellem folk med forskellige baggrunde og idéer, gør, at de poder hinandens interesser og udfordrer hinanden. Og det er helt afgørende for at accelerere udviklingen af nye materialer,” siger han.

”Hvert miljø har sine styrker, men vi har her i bygningen en styrke i en fælles fundamental atomarskala-forståelse af katalyse og den binder os sammen. Det gør miljøet unikt at vi har et fælles sprog, så vi kan stå i kantinen og snakke om de seneste opdagelser, og i fællesskab blive enige om, hvad det kunne være spændende at placere atomerne på i en katalysator. Det er den type samtaler, vi har,” siger Stig Helveg.

Materialeforskningen i Climate Challenge Laboratory går på tværs af etagerne ud over det enkelte forskningsområde, den enkelte ekspert, og hvad angår DTU - også ud over det enkelte universitets kapacitet. I Danmark indgår Københavns Universitet, Aalborg Universitet, Aarhus Universitet og SDU i samarbejdet om Pionercenteret, og på den internationale scene er samarbejdspartnerne Stanford University, Utrecht University og University of Toronto.

Det fælles vilkår for forskerne er, at det i gennemsnit tager ca. 20 år at udvikle nye materialer til den grønne omstilling. Og det er der ikke tid til, hvis verdens lande skal kunne nå at udbygge en ny bæredygtig energiforsyning, der gør det muligt at leve op til FN’s målsætning om at reducere CO₂ udledningen med 90 procent inden 2040.

”Vi har ikke 20 år - vi har fem. Så der skal helt nye metoder og samarbejdsformer i brug som dem vi forsøger at skabe i Climate Challenge Laboratory og Pioneercenteret,” siger Tejs Vegge.