Anpassning av vätetransporthastigheter i amorfa metaller: från ultra-snabba till ultra-tröga

Projekttitel: Anpassning av vätetransporthastigheter i amorfa metaller: från ultra-snabba till ultra-tröga
Huvudsökande: Gunnar Pálsson, avdelningen för materialfysik
Beviljade medel: 3 400 000 SEK för perioden 2019-2022
Funding: Projektbidrag inom neutronspridning från Vetenskapsrådet

2017 togs ett beslut om ett klimatpolitiskt ramverk för att Sverige, senast år 2045, inte längre ska ha nettoutsläpp av växthusgaser. Mot bakgrund av detta beslut är därför klimatförändring och framtida konkurrensförmåga viktiga och aktuella frågor för Sverige och övriga Europa som kommer utgöra en stor utmaning men samtidigt ge regionen ekonomiska utvecklingsmöjligheter. Inom transportområdet prioriterar Sverige att år 2030 ha en fossiloberoende fordonsflotta och år 2040 är målet att landets elproduktion till 100% skall utgöras av förnyelsebar el. För att Sverige ska klara klimatmålen kommer många olika lösningar behövas inom olika sektorer då ingen silverkula finns inom överskådlig framtid.

För att uppnå målet med en fossiloberoende fordonsflotta finns idag två huvudsakliga alternativ: elbilar och bilar som drivs med vätgas. Om elbilar laddas med förnyelsebar el är detta ett mycket rent alternativ. Miljöinstitutet på uppdrag av Energimyndigheten har dock funnit att tillverkningen av de batterier som krävs är allt annat än miljövänlig då ett enda litiumbatteri genererar koldioxidutsläpp som motsvarar 14000 km körning med en vanlig bensinbil. Priset på litium har också tiodubblats de senaste 20 åren.

Problematiken med vätgasdrivna bilar är istället det omvända. De är förhållandevis miljövänliga att tillverka, men istället är det tillverkningen av väte som här ställer till problem då merparten av vätgasen idag tillverkas med orena metoder. Vägen framåt är dock ljusare här då man på sikt kan övergå till att med elektrolys spjälka vatten för att på så sätt producera vätgas. Solenergi och annan förnybar energi kan alstras och användas som energikälla för spjälkningen vilket ger en koldioxidmässigt nästan helt ren process från råvara till körd mil.

Som ett ytterligare led för att klara klimatmålen försöker man också inom många industriella sektorer begränsa sina koldioxidutsläpp. Exempel på detta är stål och gruvindustrin där ståltillverkaren SSAB tillsammans med LKAB, Vattenfall och Energimyndigheten har presenterat ett gemensamt initiativ för att byta ut kolatomer i stål med väte för att på så sätt avkarbonisera sin tillverkning.

Ökad forskning inom väteproduktion, rening och vätelagring i metaller – från grundforskning till tillämpningar – är ett av de viktigaste områdena om de mål som satts upp skall kunna nås. Det finns därför ett stort behov i Sverige att öka kompetensen på detta område.

Med denna ansökan avser vi stärka och stödja dessa målsättningar med grundforskning med ett nytt angreppssätt. Genom att använda kombinatoriska metoder, vill vi kunna utveckla nya amorfa material för att maximera eller minimera flödet av väte. Väteflöde är avgörande för många applikationer som till exempel väterening, mätning av vätehalter, försprödning av väte och vätelagring.

Amorfa material besitter många mycket attraktiva egenskaper såsom korrosionsresistens, hög hållfasthet och högre upptag av väte jämfört med kristallina ämnen. Vår ambition är att med ett kombinatoriskt tillvägagångssätt hitta nya amorfa material genom att med hjälp av tunnfilmsteknik skapa en mängd olika legeringar på en och samma yta. Denna metod kommer att användas i kombination med ett teoretiskt screening-verktyg vars uppgift är att hitta nya materialkombinationer som maximerar eller minimerar flödet av väte. En optisk metod kommer att användas där diffusionskonstanten mäts i realtid över alla legeringar samtidigt.

En stor del av projektet kommer att innefatta neutronspegling och andra relaterade neutronspridningsmetoder för att kunna mäta hur väteatomer växelverkar med varandra. Denna växelverkan är ett av de viktigaste begreppen för att få grundläggande förståelse för ökad eller minskad rörlighet av väte. Vi kommer också att bli tidiga användare av den europeiska spallationskällan i Lund vilken är av stor vikt för projektet. Med de nya strålrören i Lund kan vi för första gången mäta alla legeringar på en och samma yta genom att skanna neutronstrålen längs med provet.

Resultat av denna forskning kommer att ge oss en grundläggande inblick i hur väteförsprödning blir till och hur den kan undvikas. Vi skapar även förutsättningar för nya typer av vätgassensorer och membran för väterening. Upptäckten av nya material för vätelagring är en naturlig konsekvens av denna typ av forskning och kan vara av stor betydelse för att hjälpa Sverige och Europa att minska koldioxidutsläppen och klara omställningen till en fossiloberoende fordonsflotta till år 2030.