I laboratoriet vårt ved SINTEF plasseres en prøve med et tynt, aktivt lag i en maskin som ikke er større enn en vanlig stekeovn. Sekunder senere har den nådd flere hundre grader og er klar for videre analyse. I en tradisjonell ovn kan den samme prosessen ta flere timer.
Innen materialforskning er dette tilsynelatende enkle oppvarmingstrinnet ofte en stor flaskehals. For oss handler derfor raskere oppvarming om langt mer enn tidsbesparelser. Det handler om å finne nye måter å utvikle teknologiene som trengs for en mer bærekraftig fremtid.
Gjennom det nylig finansierte prosjektet RAPIDO skal forskere ved SINTEF og Universitetet i Oslo utforske hvordan ultraraske varmebehandlinger kan brukes til å utvikle avanserte materialer for hydrogenproduksjon, solenergi og andre anvendelser innen ren energi. Prosjektet støttes av Norges forskningsråd gjennom FRIPRO-programmet.
RAPIDO har som mål å utvikle nye prosesseringsstrategier for materialer som brukes i solbasert hydrogenproduksjon. Ved å ta i bruk hurtig termisk prosessering (RTP) skal prosjektet forbedre effektiviteten og holdbarheten til fotoelektrokjemiske (PEC) enheter som omdanner sollys og vann til rent hydrogendrivstoff.
Den skjulte flaskehalsen i materialforskning
Mange av teknologiene som er nødvendige i et lavutslippssamfunn, blant annet elektrolysører, batterier, systemer for vann- og gassrensing og teknologi som omdanner solenergi til kjemisk brensel, er avhengige av avanserte materialer. Egenskapene til disse materialene påvirkes i stor grad av hvordan de varmebehandles.
Bak alle disse teknologiene ligger et avgjørende produksjonstrinn: termisk prosessering.
Varmebehandling bestemmer hvordan atomene organiserer seg i materialet. Den påvirker krystallstruktur, sammensetning, defekter og til slutt materialets ytelse. Selv små endringer i prosesseringsbetingelsene kan ha stor betydning for de endelige egenskapene.
Utvikling av nye materialer er ofte en gjentakende prosess. Vi fremstiller en prøve, varmebehandler den, karakteriserer den, analyserer resultatene og gjentar prosessen. Når selve varmebehandlingen kan ta flere timer, blir også utviklingsarbeidet tidkrevende.
Hva om varmebehandlingen tok sekunder i stedet for timer?
Det er her Rapid Thermal Processing (RTP) kommer inn.
I motsetning til tradisjonelle ovner, som gradvis varmer opp et helt kammer, benytter RTP høyintensive lamper som tilfører varme direkte til materialet. Temperaturer fra flere hundre til over tusen grader Celsius kan oppnås på få sekunder. En prosess som krever flere timer i en konvensjonell ovn, kan ofte gjennomføres på under ett minutt med RTP.
Teknologien er ikke ny. RTP har lenge vært brukt i halvlederindustrien, der presis temperaturkontroll er avgjørende for produksjon av mikroelektronikk. Potensialet innen energimaterialer er derimot fortsatt i stor grad uutforsket, til tross for økende interesse. En nylig oversiktsartikkel fra forskere ved SINTEF og UiO peker på både muligheter og utfordringer knyttet til bruk av RTP for fotoelektrodematerialer.
I RAPIDO skal forskerne undersøke om denne tilnærmingen kan bidra til raskere utvikling og produksjon av materialer for hydrogenproduksjon og andre bærekraftige energiteknologier.
Mer enn bare hastighet
Den mest åpenbare fordelen med RTP er hastigheten. Men potensialet er langt større.
Når materialer varmebehandles i flere timer, får atomene tid til å bevege seg, diffundere og reorganisere seg. Ved eksponering for høye temperaturer i bare noen få sekunder oppstår helt andre betingelser. I noen tilfeller kan dette gi materialstrukturer som er vanskelige, eller til og med umulige, å oppnå ved hjelp av konvensjonelle varmebehandlinger.
RTP er derfor ikke bare en raskere ovn. Teknologien endrer hvordan materialer eksponeres for varme. Ved å kontrollere temperatur og behandlingstid med høy presisjon kan vi oppnå andre strukturer og egenskaper enn det som er mulig med tradisjonelle metoder.
Rask oppvarming kan dermed bli et viktig verktøy, ikke bare for å gjøre forskningen mer effektiv, men også for å utvide materialrommet forskere kan utforske.
Figur 2: Eksempel på en fotoelektrode utviklet ved SINTEF. Det gule belegget er avsatt på et elektrisk ledende glassubstrat, kjent som et transparent ledende oksid (TCO). Mange TCO-materialer begynner å brytes ned når de utsettes for temperaturer over omtrent 500 °C over lengre tid, noe som begrenser bruken av konvensjonelle varmebehandlinger. RTP kan bidra til å redusere dette problemet ved å forkorte eksponeringstiden betydelig.
Beskyttelse av følsomme substrater
Rask oppvarming kan også åpne nye muligheter for materialer som er krevende å prosessere med dagens metoder.
Mange avanserte funksjonelle materialer avsettes på temperaturfølsomme substrater, som teknisk glass, tynne substrater eller membraner. Disse kan degraderes dersom de utsettes for høye temperaturer over tid. Siden RTP reduserer tiden materialene tilbringer ved høy temperatur, kan teknologien gjøre det mulig å prosessere aktive materialer samtidig som belastningen på substratet begrenses.
Dette kan igjen åpne for nye materialkombinasjoner og enhetsdesign som er utfordrende å realisere med tradisjonelle varmebehandlinger.
Mot bedre og bredere energiteknologier
I RAPIDO er den første anvendelsen fotoelektrodematerialer for produksjon av hydrogen fra solen. Disse materialene krever ofte nøye kontrollerte varmebehandlinger for å oppnå den krystallstrukturen og morfologien som gir effektiv lysinnhøsting og ladningstransport.
Prosjektet skal undersøke om ultrarask oppvarming kan gi tilsvarende eller bedre ytelse, samtidig som prosesseringstiden reduseres betydelig.
Betydningen av prosjektet kan imidlertid rekke langt utover teknologi som omdanner solenergi til kjemisk brensel. Mange av de underliggende prinsippene er også relevante for elektrolysører, batterier, membraner og en rekke andre energi- og miljøteknologier.
Å akselerere selve innovasjonen
Det grønne skiftet krever ny teknologi. Ny teknologi krever nye materialer. Og nye materialer krever eksperimentering.
Utfordringen er at utvikling og optimalisering av materialer tar tid. Ved å endre måten materialer varmebehandles på, skal RAPIDO bidra til raskere utvikling og optimalisering av nye materialer. Samtidig vil prosjektet undersøke om RTP kan gi tilgang til materialstrukturer som er vanskelige å oppnå med konvensjonelle metoder.
Vi fokuserer ofte på selve materialene. Men noen ganger kommer de største fremskrittene gjennom å endre hvordan materialene lages. Ved å redusere tiden brukt på ett av de mest tidkrevende trinnene i materialutviklingen kan RTP gjøre det mulig å teste flere ideer, korte ned innovasjonssyklusene og fremskynde utviklingen av materialene som trengs for en mer bærekraftig fremtid. Til syvende og sist handler veien mot bærekraft ikke bare om å oppdage bedre materialer, men også om å finne smartere og raskere måter å utvikle dem på.
Kommentarer
Ingen kommentarer enda. Vær den første til å kommentere!