Hopp over innholdet

Energi og miljø

Artikkelen tilhører Bruksområder, postet 15. jun 2009

Tore Tennøe
KONTAKTPERSON:

Tore Tennøe

Klima- og miljøspørsmål krever nye løsninger for produksjon og bruk av energi. Det kanskje viktigste potensialet ligger i solenergi, og mange setter sin lit til nanoteknologi. Nanomaterialer kan også gi en miljøgevinst på andre områder, som rensing av vann og beskyttelse av byggematerialer.

Energiforsyning

Nanoteknologien arbeider med å utvikle nye typer solceller. På en side er det behov for solceller som er effektive nok til å forsyne kraftmarkedet, på den annen side utforskes lette og fleksible paneler som kan integreres i blant annet mobiltelefoner og tekstiler. En annen metode for å forsyne små energimengder er å høste energi fra bevegelse gjennom såkalt piezoelektrisk effekt.

Til å produsere større kraftmengder kan blant annet saltkraft være et alternativ. Her er osmotiske membraner en viktig ingrediens, og nanoteknologi kan spille en viktig rolle. Nanomaterialer kan også gi styrke og korrosjonsmotstand som trengs i blant annet vindmøller og bølgekraftverk. Enkelte utgaver av karbonnanorør leder strøm svært effektivt og kan brukes til overføring av kraft.

For å forsyne bilen, pc-en og andre mobile formål trengs effektive måter å lagre energi. Tradisjonelle batterier har sine handikap, men nanoteknologi kan gjøre det mulig å forbedre ytelsen gjennom å modifisere elektrodene på nanoskalaen.

Alternativt kan man bruke hydrogen, og nanomaterialer utforskes til bruk i membraner, metallstrukturer og brenselceller som henholdsvis kan skille hydrogen fra gass, lagre hydrogenet og hente ut energien i en motor. Man forestiller seg også å erstatte pc-batteriet med utskiftbare hydrogenpatroner.

Varme og belysning

Samtidig som det er behov for effektiv og ren energiproduksjon er det også nødvendig å spare energi og utnytte tilgjengelig energi så effektivt som mulig. Innen nanoteknologi arbeider man med superisolerende materialer og stoffer som tar vare på overskuddsvarmen om dagen og avgir den om natten.

Nye typer vindusbelegg slipper gjennom lys men holder varmen tilbake, dette kan begrense behovet for air-condition samtidig som man skaffer naturlig belysning. Blant aktuelle løsninger er vinduer med innebygde persienner: et mellomlag av partikler som kan endre posisjon og dermed hvor mye lys som slipper igjennom.

Ny diodeteknologi kan gi mer energieffektiv belysning og elektroniske display. Diodelykter (LED) er allerede utbredt i blant annet lommelykter, men kan nå utvikles videre: Mens dagens lykter lyser opp ved hjelp av fosfor kan bruk av spesielle nanokrystaller (kalt kvanteprikker) gjøre det enklere å kontrollere lysets intensitet og fargetone. En diodeteknikk kalt Organic LED kan spres ut over en flate, og fungere både som lyskilde og som dataskjerm.

Det er viktig å være på vakt om hva slags stoffer som brukes i slike løsninger. Andre erstatninger for glødelamper har vist seg å ha store ulemper, som tungmetaller i lysstoffrør.

Effektive kjøretøy

Også innen transport er det store muligheter for å effektivisere energibruken. Det viktigste potensialet ligger i å erstatte forbrenningsmotorer med batteri- eller hydrogendrevne motorer som har høyere virkningsgrad, les om dette ovenfor. Gevinsten betinger imidlertid også at energien som brukes til å ladebatteriet eller produsere hydrogenet er skaffet på en effektiv måte, det er lite å tjene på å lade batteriet med kullkraft.

Videre kan lettvekts nanomaterialer bidra til mer bensingjerrige biler, se tabellen nedenfor. Prisen på slike materialer er imidlertid foreløpig såpass høy at de som koster på seg slikt gjerne også koster på seg mye annet. Vinninga med en lettvekts plastkarm på en Hummer går gjerne opp i spinninga.

Nanoteknologi kan også bidra til å løse andre miljøutfordringer i transportsektoren. Bilkatalysatorer fremstilt ved hjelp av nanoteknologi gir effektiv eksosrensing med 95% mindre platina.

Videre er det aktuelt med nye smøremidler som kan gi mer effektive motorer. En annen strategi er å tilsette nanopartikler av ceriumoksid til bensin for å skape mer effektiv forbrenning – men man må avklare om disse ender opp som skadelige utslipp.

Ny teknologi kan vanskelig løse alle utfordringer ved privatbilismen. Også produksjon av fornybar energi, samt batterier og hydrogentanker, vil kreve ressurser. Bilene vil også kreve like mye veier og arealer som før.

Hva er potensialet for energisparing?

Tabellen nedenfor viser mulig energigevinst ved ulike anvendelser av nanoteknologi, hentet fra USAs miljøbyrå EPA. Tabellen viser kun mulig energigevinst i bruksfasen.

Foreløpig vet vi ikke om de løsningene nanoteknologien vil bringe er ressurseffektive over et livsløpsperspektiv, inkludert produksjon og destruksjon av materialene. Mange enkle tiltak for energisparing er allerede tilgjengelige og framfor å vente på nanoteknologien er det viktig å ta i bruk løsninger som finnes i dag.

 

Anvendelse

Anslått innsparings-potensial (% av årlig nasj. energiforbruk)

Sterke lettvektsmaterialer i transportsektoren

6,2

Selvlysende materialer brukt til belysning (diodeløsninger)

3,5

Selv-optimaliserende motorsystemer (basert på smarte sensorer)

2,1

Intelligent solfanging i bygninger (temperaturavhengig refleksjon/oppfanging av solenergi)

1,2

Nye energieffektive rensemembraner

0,8

Bruk av datateknikk til å effektivisere destillasjonsprosesser

0,3

Bruk av nanorør og andre nanostrukturer til å effektivisere industrielle prosesser (for eksempel petroleumsraffinering)

0,2

Bedre strømledningsnett med lavere energitap

0,2

Totalt

14,5

Miljøteknologi

Filtre og membraner basert på nanoteknologi kan brukes til rensing av vann og luft. Det knytter seg særlig interesse til membraner for å filtrere bort salt fra havvann. Dagens teknikker for dette krever svært mye energi og er lite aktuelle i større skala, men det er mulig at nanoteknologi kan gi et gjennombrudd. Mer aktuelt på kort sikt er å lage renseløsninger for avløpsvann og forurenset drikkevann.

Grunnforurensning med olje er svært vanskelig å rense fordi det bindes til jord. Forskere har gjort forsøk med å tilføre spesielle nanopartikler av jern som fungerer som svamper. Problemet er at disse nanosvampene spres lett og kan være vanskelig å rydde opp. De leter derfor også etter løsninger der oljen brytes ned til harmløse stoffer.

På samme måte som for kjøretøy kan sterke lettvekts materialer også gi ressursbesparelser innen husbygging. Nanomaterialer i maling, impregnering og annen overflatebehandling kan redusere behov for vask og vedlikehold og forlenge materialers levetid.

Sensorer og elektronisk utstyr kan gi bedre overvåking av tilstanden i natur, vann og luft, og legge til rette for mer optimal gjødsling og vanning i landbruket.

Erstatte skadelige stoffer

Opp mot 100.000 forskjellige kjemiske stoffer er i bruk i dag, i industri og i produkter. Mangfoldet er stort, men tallet rommer også en rekke helse- og miljøfarlige stoffer, samt stoffer med ukjente virkninger.
Særlig blant stoffer brukt til å bekjempe uønskede organismer (plantevernmidler og biocider), samt stoffer til overflatebehandling, brannbeskyttelse o.l, har mange vist seg å ha betenkelige egenskaper.

Det kan ligge en stor gevinst i å erstatte slike stoffer med alternativer hvor bieffektene er mindre alvorlige, og mange setter sin lit til nanomaterialer. Potensialet for dette er også drøftet i en rapport fra Teknologirådets søsterorganisasjoner i EU. Alternativt kan nanoteknologien bidra til at tradisjonelle stoffer kan brukes mer effektivt og dermed i lavere doser.

Ovenfor har vi vist at batterier og sparepærer er to områder hvor nanoteknologi kan bidra. Tradisjonelle batterier og sparepærer har vært basert skadelige kjemikalier, som syre og kobolt i batterier og kvikksølv i lysstoffrør. Forhåpentligvis kan nanoteknologi gi bedre løsninger, imidlertid må vi unngå at vi samtidig skaper nye ressurs- og avfallsproblemer. Diodeløsninger basert på kvanteprikker med tungmetallet kadmium kan være eksempel på dette.

Selv om mange produkter kan være mindre ressurskrevende i en bruksfase, er det per i dag ikke mulig å si om substitusjon av tradisjonelle produkter med nanobaserte utgaver vil bety et lavere ressursforbruk samlet over hele livsløpet.

LES OGSÅ

IKT og elektronikk

Elektronikkindustrien etterspør stadig mindre enheter fordi disse jobber raskere med lavere energiforbruk. Intel har utviklet transistorer som måler 32 nm, under 1/5 av standarden ved årtusenskiftet.

Les hele saken »

Mat og landbruk

Nanoteknologi brukes allerede i innpakning og emballasje, blant annet for å redusere sig av gasser gjennom plastemballasje, og dette er temmelig ukontroversielt. Mer utfordrende er nanoteknologi i selve matvarene.

Les hele saken »

Helse og medisin

Nanoteknologi utvikles til bruk i diagnose og be­handling. Sensorer basert på nanoelektronikk kan oppdage virus og skade. Medisin kan plas­seres i nanokapsler som oppløses etter at medi­sinen er transportert dit den skal virke.

Les hele saken »