På väg mot ett solbränsle, Spinntronik, Fracking
forskning 25 år www.forskning.com WEBB-TIDNINGEN FÖR FORSKARE, NATURVETARE, TEKNIKER och andra intresserade 2015-04-16 Senaste artikel sid 12 ”Vi kan göra oss fria både från de ändliga och miljöpåverkande fossila bränslena och från kärnkraften.” På väg mot ett solbränsle, Spinntronik, Fracking INNEHÅLL GRUNDAD 1985 webb-Tidningen FORSKNING • är en unik ”rullande”, dvs successivt och kontinuerligt uppdaterad, webb-tidning som presenteras i pdf-format via en länk från tidningens nyhetssajt forskning.com. • bevakar svensk forskning och utveckling inom naturvetenskap och teknik. Innehållet spänner från grundforskning till innovation • vänder sig främst till alla som är direkt verksamma inom forskning och utveckling, men även till studerande, lärare, tjänstemän, beslutsfattare och opinionsbildare, samt seriöst intresserade privatpersoner • är helt självständig och obunden, men har ett kvalificerat kontaktnät inom svensk forskning • har som redaktionell idé att presentera framstående svensk forskning som är relevant för samhällets utveckling och människors levnadsvillkor • ger läsaren både djupare kunskap, bredare sammanhang och tillsammans med webb-platsen forskning.com även nyheter inom svensk forskning. MÅLGRUPPER • Naturvetare, ingenjörer, tekniker, konsulter, tjänstemän, och beslutsfattare inom näringsliv och förvaltning • Forskare vid naturvetenskapliga fakulteter och tekniska högskolor, forskningsinstitut etc. Lärare och studerande vid universitet, högskolor och gymnasier .• Seriöst intresserade privatpersoner 4 ANNONSBOKNING Gå till http://www.forskning.com och klicka på ”DIN FORSKNING” för information och bokning eller telefon 0725185159 26 18 Fracking - varken frälsning eller katastrof 22 De gäckande jordbävningarna 26 Forskarna i spinn 30 Extremt snabba proteiner 32 Effektivare katalysatorer 36Boktips REDAKTIONELLT Redaktör och ansvarig utgivare Lars Alvegård fd informationschef på Chalmers tekniska högskola tel: 0725185159 [email protected] www.forskning.com FORSKNING Senaste artikel ADRESS Toremossegatan 16 418 27 Göteborg ANTAL LÄSARE Webbplatsen forskning.com med webb-tidningen har fn ca 45..000 besökare per år 342 12 På väg mot ett solbränsle 34 Plantor som renar jord och räddar liv EKONOMI Plusgiro: 64 01 74 - 9 Bankgiro: 857 - 0905 VAT nr: SE556887970301 IBAN: SE61 9500 0099 6034 0640 1749 BIC: NDEASESS Godkänd för F-skatt 12 9Göran Gustafsson-prisen ÄGARE Tidningen FORSKNING i Göteborg AB Org nr 556887-9703 KONTAKT [email protected] 18 4 Prins Pralins mamma TEMA text LARS ALVEGÅRD Prins Pralins mamma Sara Snogerup Linse fick nyligen ta emot KTH:s Stora Pris på 1,2 miljoner kronor. Det är ett prestigefullt, men också ovanligt pris då pristagarna representerar vitt skilda områden. Bland senare års pristagare finns Hans Rosling, artisten Robyn, Skypes grundare Niklas Zennström och modeskaparen Gunilla Pontén. Sara Snogerup Linse är professor i Fysikalisk kemi vid Lunds universitet, men också framgångsrik orienterare, liksom författare och illustratör till barnböcker bl a om Prins Pralin. KTH:s PRISMOTIVERING: “Sara Snogerup Linse har genom sin molekylärfysikaliska forskning vidgat och utvecklat kunskapen kring proteiners biofysikaliska kemi och deras avgörande roll vid några av vår tids vanligaste sjukdomar som diabetes, Alzheimer och Parkinson. Hennes nit, engagemang och kompetens banar väg för ny och livsavgörande kunskap.” – KTH:s Stora Pris är ju lite annorlunda genom att det är synnerligen brett. Känner du dig hemma i prismotiveringen? – Ja, det tycker jag nog. Jag är flitig när det är något jag tror på. Jag gillar att lösa problem och lägger ner den kraft som behövs. Men de som delar ut priset har uppenbarligen mycket stor frihet i valet av pristagare. 4 FORSKNING – Du är ju proteinforskare och studerar hur proteiner samverkar i kroppen. Kan du berätta kort om din forskning? – Jag sysslar egentligen med fysikalisk kemisk grundforskning på proteiner. Jag studerar hur proteiner samverkar och då är det ett antal frågor man ställer sig. Till exempel hur proteinerna samverkar med andra molekyler, om bildar de något slags komplex, med ett annat protein, en liten ligand, en metallatom eller t o m en annan kopia av sig själv. Då vill man t ex ta reda på andelen komplex och andelen fria proteiner. Det avspeglar det vi kallar affinitet. Som fysikalisk kemist vill man också förstå de drivkrafter som ger en viss affinitet. Och så studerar man det som kallas specificitet, det vill säga skillnad i affinitet för olika molekyler. Då kan man börja fundera FORSKNING 5 IN-LEDAREN på vilka koncentrationer i kroppen skulle kunna styra om det finns ett komplex eller inte.Ytterligare en sak man vill veta är hur snabbt reaktionerna går, hur snabbt komplex bildas och hur snabbt de löses upp. Det är viktigt för signalering i celler till exempel, där omfördelningen mellan komplex och fria komponenter måste kunna ske snabbt eller långsamt för att svara på snabba eller långsamma förändringar av cellens sammansättning. Vi vill att hjärtat ska slå varje gång kalciumjonkoncentrationen stiger i hjärtmuskelcellerna, och det sker varje sekund eller oftare. Tidsskalan för en reaktion är alltså väldigt viktig för att komplex skall både hinna bildas och lösas upp inom en viss tidsrymd, t ex under en sekund så att hjärtat hinner slappna av mellan varje kontraktion. Att mäta sådana här hastighetsparametrar är klassisk fysikalisk kemi. Som fysikalisk kemist vill man också förstå de molekylära faktorer som ökar eller begränsar reaktionshastigheten. Är det laddningar, eller har det som, så ofta är fallet, något med vattens speciella egenskaper att göra? – Det som ledde fram till priset var att jag började studera oönskade komplex. Alltså när proteiner sätter ihop sig på ett sätt som inte är bra för kroppen. När de bildar aggregat med kanske tusen eller tiotusen proteiner som på något vis korrelerar med sjukdomar. Idag tror man inte att det är de jättestora aggregaten, utan kanske de med mellan två och tjugo molekyler som är farliga. Jag har försökt att ta reda på vilka delsteg som sker i aggregeringen och varför. Och i vilket skede i processen de små, giftiga aggregaten bildas. Sådan kunskap har framför allt bäring på Alzheimers och Parkinssons sjukdom. försöker fundera ut om det finns något angreppssätt som saknas och där min forskning kan göra skillnad. Att hitta en liten egen nisch. Det som andra forskare redan gör, gör de säkert lika bra som jag. Jag konstaterade att vad andra forskare inte gör inom mitt område är att satsa på de allra mest grundläggande mekanismerna. Det är därför jag har tittat på aggregeringsprocessen och vilka delsteg som finns i den. Vad som då hände var att jag och mina kollegor hittade ett helt oväntat steg som ingen förutsagt, men som visade sig vara det viktigaste, därför att just det steget ger upphov till de giftiga aggregaten. Det vi såg var en autokatalytisk effekt, en snöbollseffekt. Vi fann att så fort något aggregat bildats, så har det en yta som är katalytisk där fler proteiner kan sätta sig och skapa nya aggregat som lossnar och då finns det ännu mer katalytisk yta, och så vidare i en väldigt snabbt accelererande process. – Var det detta du sysslade med tillsammans med forskarna i Cambridge? – Precis. Vi körde experiment i Lund, men för att förstå experimenten började vi samarbete med teoretiker som utvecklade matematiska modeller för alla processer som kan ske. Och så jämförde vi våra experimentella data med modellerna och såg vilka modeller som stämde bäst med våra data. Sen förutsade vi nya resultat utifrån den minst komplicerade modell som passade alla data, designade nya experiment, bl a med isotopmärkning, och fann att de nya resultaten var exakt de som förutsagts, vilket stärker den modell vi hittat. Fast man kan ju förstås aldrig bevisa någonting, bara visa vad som är mer eller mindre troliga förklaringar till de experimentella observationerna. ”Det finns ju oerhört många som arbetar inom detta fält. Men jag har försökt se vad forskarna inte håller på med och så satsar jag på det. Vad man inte gör – Det finns ju oerhört många som arbetar inom detta fält. Men jag har försökt se vad forskarna inte håller på med och så satsar jag på det. Jag 6 FORSKNING Foto: Gunnar Menander FORSKNING 7 IN-LEDAREN – Du har ju arbetat med nanopartiklar också. Det låter som något helt annat. – Det låter kanske så, men det var faktiskt den vägen jag kom in på detta med proteinaggregat. Vi började studera vad som egentligen händer med nanopartiklarna i en kroppsvätska. Som förväntat började de binda upp proteiner, inte slumpartat, utan vissa proteiner selektivt. Vi tog reda på vilka proteiner det gällde. Vi undersökte affinitet och reaktionshastigheter och hur proteinerna byter plats med varandra. Man behövde få en detaljerad förståelse av vad som händer över tid. Och hur bindningen till nanopartiklar påverkar proteinernas funktion och aggregeringsförmåga. – Du är invald i Kungliga Vetenskapsakademien och Nobelkommittén för kemi och hunnit med en akademisk karriär med kvalificerad forskning och bland annat fått ett ERC anslag på 22 miljoner för Alzheimerforskning. Hur har du hunnit med det? Du är ju ändå ganska ung. – Jo, och jag har ändå fött tre barn och varit väldigt mycket barnledig. Så jag är egentligen bara trettio år och inte femtiotvå som det står i passet, skrattar Sara Snogerup Linse. Men jag har också haft bra och engagerade människor omkring mig som varit koncentrerade på att nå resultat. – Två av mina barn är vuxna, men min mellanpojke hade grav autism och var utvecklingsstörd. Han behövde passning varje sekund., och när han flyttade hemifrån vid 18 års ålder fick jag plötsligt hundra timmar ”ledigt” i veckan. Nu lever han inte längre, ett stort tomrum, men jag försöker fokusera på glädjen över att ha haft honom och alla starka minnen från hans 23 år i livet. – Och så skriver du barnböcker också. – Jag har alltid varit road av att skriva. Jag skrev barnböcker redan i tonåren, även om ingen gavs ut. Men jag gav ut en tidning i högstadiet med många prenumeranter. Och jag har även varit road av att rita och att skapa musik. Jag både 8 FORSKNING AKTUELLT skriver och illustrerar böckerna och gör sånger tillsammans med Kyrre, min sambo. När man är två om ett intresse är chansen större att det verkligen skall bli någonting av det. – Du är uppenbarligen en utpräglat kreativ person. Är inte det egentligen utmärkande även för att driva framgångsrik forskning? – Definitivt. Man arbetar ju med något man inte känner till och då finns det ju inga färdiga recept för hur man skall komma framåt. Då måste man tänka utanför lådan och hitta på metoder att komma vidare. Jag är ingen person som gör detaljerade planer i förväg, utan lever snarare en dag i taget. Jag har naturligtvis långsiktiga forskningsmål jag vill uppnå, men jag har svårt att planera för mycket. Jag tycker inte forskning lämpar sig så bra för det, konstaterar hon. ••• SARA SNOGERUP LINSE Ålder: 52 år Bor: Lund Familj: Sambo Kyrre, tre söner, Kyrres söner, syster, bror och mor. Fritidsintressen: Orientering, löpning, gympa, vandring, skapa sagor, teckningar och musik, verksamhet för personer med autism. Om jag inte blivit läkare och forskare: Kanske hade jag startat en skola för barn som inte kan sitta stilla, där de hade fått lära sig det mesta medan de rör sig och det som kräver att man absolut sitter stilla hade föregåtts av en rejäl fysisk utmattning. Aktuell som: Mottagare av KTH:s Stora Pris 2014 Göran Gustafssonprisen Göran Gustafssonprisen är mycket eftertraktade och prestigefyllda bland yngre forskare i Sverige. Årets fem pristagare delar på tjugofyra miljoner kronor och belönas för forskning om differentialekvationer, helt nya typer av supraledare och inom kemin en spännande metod som använder röntgenfri elektronlaser för att studera biologiska molekyler. Pristagaren i molekylärbiologi ger oss svar om människans ursprung och medicinpristagaren kartlägger generna för fetma. Varje pristagare får 4,5 Mkr i forskningsanslag, fördelat på tre år, samt ett personligt pris på 250.000 kronor. MATEMATIK: Partiella differentialekvationer och jakten på generella samband • Kaj Nyström är professor i matematik, Uppsala universitet. Nyströms forskning har en betydande teoretisk tyngd och är till sin natur av grundforskningskaraktär. Forskningen behandlar främst partiella differentialekvationer, med tillämpningar inom matematisk analys, finans och fysik. Han är särskilt intresserad av så kallade icke-linjära och degenererade elliptiska och paraboliska partiella differentialekvationer. Förenklat används elliptiska problem för att modellera fenomen som inte beror på tiden och som är av stationär natur. För att förstå dynamik är det dock viktigt att arbeta med paraboliska problem. Kaj Nyström har bland annat utvecklat matematiska tekniker med vilka det nu är möjligt att närmare förstå och analysera lösningar till icke-linjära partiella differentialekvationer av p-Laplace-typ. Dessa ekvationer är viktiga i funktionste- ori, men finner också tillämpningar inom till exempel spelteori. Kaj Nyström arbetar även med att förstå motsvarande paraboliska problem, och med att bygga en matematisk teori för en betydande klass av icke-linjära singulära och degenererade paraboliska partiella differentialekvationer som inkluderar den så kallade p-paraboliska ekvationen. Han vill även utveckla den matematiska analysen av ekvationer av Kolmogorov-Fokker-Planck-typ. Bland de tidigare och pågående projekt som Nyström bedriver ingår även mer tillämpade projekt som optimering av vattenkraft, modellerad som så kallad optimal switching problem, samt matematiska modeller för högfrekvenshandel. [email protected] FYSIK: Han upptäckte en helt ny kategori av supraledare • Egor Babaev, Institutionen för teoretisk fysik på KTH. Hans forskning kretsar kring så kallade supraledare, material som har en oändligt stor förmåga att leda elektricitet. Det finns i dag två kategorier av supraledande material. Samtliga supraledande material som har upptäckts inom det senaste halvseklet har visat sig tillhöra någon av dessa två kategorier. Men Egor Babaev har tillsammans med sin forskargrupp kunnat visa att det måste finnas ytterligare en kategori. Upptäckten har kommit att kal�las typ 1.5. I de materialen kan de supraledande elektronerna betraktas som flera samexisterande typer eller subpopulationer, där vissa beter sig som elektroner i material av typ 1, medan andra beter sig som elektroner i material av typ 2. Den här tredje kategorin av supraledare har öppnat upp för ett nytt forskningsfält med en mängd frågor om virvelfysik, fasövergångar och nya tillämpningar. Egor Babaev undersöker även olika materialtillstånd, och har förutspått två tillstånd som tidigare varit okända: supraledande supravätskor och metalliska supravätskor. Supraledare har i dag en rad tekniska användningsområden, som höghastighetståg och förlustfria kraftledningar. Det är också tack vare supraledare som vi kan använda magnetkameror inom sjukvården. Möjliga framtida tillämpningar av supraledning inkluderar supersnabba datorer. [email protected] KEMI: Med elektronlaser som verktyg (se även sid 30) Richard Neutze, professor i biokemi vid Göteborgs universitet. Under de senaste fyra åren har Richard Neutze erkänts som en av de internationellt ledande vad gäller FORSKNING 9 AKTUELLT AKTUELLT Kaj Nyström att använda röntgenfri elektronlaser för att studera biologiska molekyler. Hans forskargrupp har varit mycket innovativ inom livsvetenskaperna det senaste decenniet. Tekniken används för att förstå ett protein och se hur det förändras under den tid det verkar i en cell. Neutzes avsikt är att skapa högupplösta filmer av membranproteiners aktivitet i realtid, och till det behöver han först utveckla en ny teknik inom röntgenstrålning. Målet är att se hur membranproteinernas enskilda atomer förflyttar sig när proteinerna utför sina funktioner. Hans forskargrupp har studerat de proteiner som styr de första stegen i fotosyntesen, som är den ljusdrivna reaktion som driver nästan allt liv på jorden. Genom att använda en röntgenlaser har han börjat studera extremt snabba strukturförändringar i dessa proteiner - strukturella förändringar som sker i den tid det tar ljuset att färdas en millimeter. [email protected] MOLEKYLÄRBIOLOGI: Jakten på människans ursprung • Mattias Jakobsson är professor i genetik vid Uppsala universitet. Hans forskning fokuserar på att förstå människans evolutionära och demografiska historia genom att studera de storskaliga genetiska variationsmönster vi ser hos dagens människor och hos många tusen år gamla mänskliga lämningar. Mattias Jakobsson har undersökt de genetiska variationsmönstren hos ett stort antal folkgrupper från hela världen. Resultaten har satt nytt ljus på människans tidigaste förgreningar för mer än hundra tusen år sedan och visar på att specifika gener, som 10 FORSKNING påverkar neurologiska funktioner och skelettmorfologi, evolverade snabbt hos människans föregångare för några hundra tusen år sedan. Forskningen har till exempel lett till att skriva om förhistorien i Europa: genom att studera genetisk data från skandinaviska stenåldersskelett har Jakobssons forskargrupp kunnat visa att jordbruket spreds norrut med människor som migrerade från södra Europa. Dagens europeiska befolkning är alltså en blandning av stenåldersjägarfolken och jordbrukande migranter. Tidigare har man trott att jordbruket spreds som en kultur, utan att involvera migration. Upptäckten har fått stor uppmärksamhet. Mattias Jakobssons forskning spänner från matematisk modellering till avancerad molekylär genteknik och människans historia. Hans forskargrupp använder sig av moderna statistiska metoder för att analysera storskaliga genetiska data för att förstå interaktionen mellan genetiska, evolutionära och demografiska processer. Med hjälp av avancerade molekylärgenetiska tekniker och förfinade beräkningsmetoder kan de också undersöka hundratusentals genetiska varianter från många tusen år gammalt mänskligt skelettmaterial. [email protected] Translationell forskning innebär att sjukdomsproblemet identifieras inom sjukvården och får ligga till grund för laboratoriebaserade studier. Hjärt-kärlsjukdomar är den vanligaste dödsorsaken globalt, och detta är ett problem som väntas öka kraftigt under det närmaste decenniet. Erik Ingelsson vill med sin forskning kartlägga de genregioner som är kopplade till fetma, metabola rubbningar (ämnesomsättningssjukdomar) och hjärt-kärlsjukdomar. I forskningen studeras hur sjukdomarna samvarierar med variationer i vårt DNA, genuttryck, proteiner och metaboliter. Genom att kombinera stora studier av friska människor med funktionella analyser i zebrafiskar och celler syftar hans forskning till att hitta mönster och resultat som kan leda fram till bättre behandlingsmetoder och läkemedel. Zebrafisken är lämplig som försöksdjur i dessa studier eftersom den som ryggradsdjur har ett mer avancerat kärlsystem och metabolism än exempelvis bananflugan. Den är dock mycket lättare att jobba med än exempelvis musen, är transparent i alla stadier och har gener som är lätta att påverka. [email protected] Mattias Jakobsson Foto: Mikael Wallerstedt Egor Babaev Erik Ingelsson Foto: Maria Ingelsson MEDICIN: Han kartlägger generna för fetma • Erik Ingelsson är professor i molekylär epidemiologi vid Uppsala universitet. Hans forskning har ett särskilt fokus på translationell forskning kring fetma, nedsatt insulinkänslighet, typ 2-diabetes samt hjärt-kärlsjukdomar. Richard Neutze Foto: Johan Wingborg ENERGI text LARS ALVEGÅRD På väg mot ett SOLBRÄNSLE Senaste artikel 12 FORSKNING FORSKNING 13 ENERGI ENERGI TEMA Att utan omvägar kunna framställa ett bränsle av vatten med hjälp av solljus verkar som science fiction. Men forskarna är på väg att lyckas skapa ett solbränsle. Därmed skulle vi på sikt kunna göra oss fria både från de ändliga och miljöpåverkande fossila bränslena och från kärnkraften. DET GÄLLER ATT LÄRA från den naturliga fotosyntesen, men att skapa en mycket enklare process. Fotosyntesen omvandlar ju vatten och koldioxid till kolhydrater, alltså biomassa, med hjälp av ljusenergi. Men naturen är ytterst komplicerad och dessutom skulle vi inte ha någon nytta av att helt efterlikna fotosyntesen. – Vi vill utnyttja grundprinciperna i fotosyntesen och använda vatten som utgångsmaterial, men göra det på ett mycket enklare sätt. För att kunna utveckla ett användbart material eller molekyl, så måste vi i detalj kunna studera de ingående processerna i fotosyntesen, påpekar Villy Sundström, Kemisk fysik, Lunds universitet. – I Sverige finns ett konsortium för artificiell fotosyntes sedan 1994 med Stenbjörn Styring som en av initiativtagarna och koordinator i Uppsala, forskare vid KTH - med bland annat en framgångsrik organisk kemist, professor Licheng Sun - som förser oss med molekylerna och så vår grupp i Lund som använder de nya analysmetoderna. Dessutom har vi internationella samarbeten. Det växer nu upp centra runt om i världen, som i viss mån liknar vårt konsortium, där man för samman forskare med olika bakgrund, såsom kemister, biokemister, biologer och andra. Exempelvis i USA, Tyskland, Holland, Japan och Kina. 14 FORSKNING – Arbetet med artificiell fotosyntes började faktiskt redan i och med den första oljekrisen på 70-talet och togs upp igen på 90-talet. Och nu är det ett internationellt väldigt starkt expanderande område. Men man pratar nu om solbränsle istället för artificiell fotosyntes. – I Lund har vi dessutom under lång tid studerat nästan alla nya typer av solcellsmaterial i samarbete med forskare i Linköping och Göteborg. Vad alla inom detta område nu talar om är att använda metallorganiska perovskiter (CH3NH3PbI3). Solceller med detta material (som har samma struktur som mineralet perovskit, CaTiO3) har redan passerat tjugo procent i verkningsgrad. Men ett problem är att materialet också innehåller bly och det måste man komma bort ifrån vid storskalig användning. Solbränsle utan energiförluster – Inom området artificiell fotosyntes, eller solbränsle, har forskarna med tillgängliga metoder - bland annat de laserspektroskopiska metoder vi använt här i Lund - försökt är att utveckla olika molekyler för att studera vad som händer när de utsätts för ljus. Men för att komma längre måste man kunna studera exakt vilka strukturförändringar som sker inom molekylen under processens gång och hur laddningar förflyttas. Man Professor Villy Sundström, Lunds universitet FORSKNING 15 ENERGI har inte haft metoder för detta tidigare före de tidsupplösta röntgenmetoder vi nu utnyttjat. Alltså att använda ytterst korta femtosekundpulser av röntgenljus. Sådana mätningar kan man bara göra på två ställen i världen - i Stanfords och Osakas kilometerlånga elektronacceleratorer och frielektronlasrar. – Vi valde att studera en molekyl som bedömdes innehålla tillräckligt många intressanta processer för att utgöra ett bra modellsystem. Och det visade sig att vi med den nya metoden kan karaktärisera i stort sett allt som händer i molekylen - hur laddning förflyttas, hur spinnet på elektronerna ändras, hur bindningslängder förändras, hur molekylen avger värme till omgivningen och så vidare. Man får alltså en fullständig bild av vad 16 FORSKNING ENERGI som händer när molekylen absorberar ljus. Det blir därmed möjligt att studera mera komplexa, funktionella molekyler, vilket blir vårt nästa steg. Slutmålet är att kunna producera ett solbränsle utan energiförluster. Om man studerar totalprocessen i naturen - från ljus till kolhydrater - så är energiförlusterna stora. Verkningsgraden är knappt en procent från ljus till biomassa, men fotosyntesen är ju inte ”designad” just för att producera kolhydrater. Växterna gör ju en massa annat också. Men om vi ser på de allra första stegen i fotosyntesen, nämligen lagring av ljus i form av energirika elektroner, så finner vi att verkningsgraden är nästan hundra procent. Det är denna delprocess vi är intresserade av, alltså att efterlikna de allra första stegen inom fotosyntesen. – Det finns redan några få konstgjorda katalysatorer eller molekyler som kan efterlikna detta, men med låg verkningsgrad. Dessutom är det så att de molekyler och material som man lyckats få att fungera är väldigt instabila. De fungerar kanske några tusen gånger eller några minuter och sedan går de sönder. Så det återstår väldigt mycket arbete för att utveckla nya, stabila och effektiva katalysatorer. – Att göra katalysatorer för att producera vätgasen, som är den andra delen av reaktionen, är betydligt enklare däremot och de katalysatorer som finns är också bättre än de som krävs för att splittra vatten. I stället för vätgas kan man tänka sig att producera ett kolbaserat bränsle, t ex metanol, genom att använda koldioxid som utgångsmaterial. Kemin för detta är emellertid svårare än framställning av vätgas. – Men minst lika svårt blir att koppla ihop de två processerna. Alltså att göra en apparat som söderdelar vatten, tar elektronerna och producerar ett bränsle i ett sammanhang. De närmaste åren kommer att krävas för att ta fram och karakterisera bättre katalysatorer och att lära oss förstå varför de fungerar, eller inte fungerar. – En fungerande apparat på forskningsstadiet tror jag att jag får uppleva. Men en kommersiellt gångbar apparat som producerar vätgas, Solbränslecell Ljus absorberas i en fotosensitizer (PS) som avger elektroner till en titandioxidelektrod (anod). Dessa ersätts genom vattenspjälkning (WSC = water splitting catalyst) varvid syrgas och protoner bildas. Elektronerna leds till katoden (en matalloxid) där ännu en ljusdriven katalysator (PRC = proton reduction catalyst) reducerar protonerna bildade vid vattenspjälkningen och bildar vätgas. metanol eller något annat bränsle, och som kan stå på varje hustak, det är ju något helt annat. På solrika ställen, i öknarna till exempel, kan man bygga stora anläggningar som producerar bränsle som lagras i stora cisterner. Men om man börjar med att täcka alla tak antingen med solceller eller sådana här solbränsleceller, så har man kommit långt. ••• FORSKNING 17 ENERGI text LARS ALVEGÅRD FRACKING - varken frälsning eller katastrof Åttiofem miljoner fat olja förbrukas per dag i världen, varav omkring sextio procent används för transporter. Men från år 2005 har oljeproduktionen stagnerat. Detta förklarar intresset för bland annat skiffergas. MAN UPPTÄCKER FORTFARANDE nya olje- och gasfyndigheter, men av allt mindre storlek och dessutom svårare och dyrare att exploatera - på mycket stora djup och i Arktis till exempel. Olja bildas av marina sediment, främst plankton och bakterier, medan kol bildas av växter från gamla träsk och sankmarker. Naturgas bildas ur både olja och kol. Det finns också olja innesluten i porer i berggrunden som inte går att tillgodogöra sig, eftersom berget har för dålig genomsläpplighet. Om man inte gör artificiella sprickor, det vill säga med hyrauliska metoder spräcker berget, vad som på engelska heter fracking. satte att användas nattetid av illegala sprängare - så kallade ”moonshiners”. På 1930-talet började man experimentera med icke-explosiva frackingmetoder, till exempel med syror, och på -40-talet med vatten under högt tryck, så kallad hydraulisk fracking, vilket är den metod som först nu fått omfattande spridning främst i USA. På 1990-talet började man tillsätta olika kemikalier som radikalt kunde öka sprickorna i berget. Och man kunde nu också borra horisontellt, styra borrhålen och följa kolvätereserverna bättre. Efter millennieskiftet fick så skifferfracking en riktig boom i USA. ”Ett av de största Gammal teknik problemen kan jag tycka är att det knappast finns någon oberoende akademisk forskning om skiffergas. Metoden går tillbaka till Edward Roberts patent från 1865 om en ”explosiv torped” för förbättring av oljekällor med sinande flöden. En sprängladdning skickades ned i oljekällan och detonerades, vilket skapade sprickor som ökade oljeflödena. På grund av de många olyckorna med sprängämnen förbjöds emellertid metoden, men den fort- 18 FORSKNING För och emot Bland de risker som påtalats är läckage av injicerad frackingvätska till grundvattnet, samt läckage av metan, som är en mycket potent växthusgas. Metanläckage kan ske genom sprickor i marken ganska långt från borrhålen. Vissa motståndare menar till och med att metanläckaget innebär Universitetslektor Mikael Höök, Institutionen för geovetenskaper, Uppsala universitet. FORSKNING 19 ENERGI Metoden att föra ned och detonera en sprängladdning i oljekällan för att skapa sprickor som ökade oljeflödena uppfanns redan 1865. På grund av de många olyckorna med sprängämnen förbjöds emellertid metoden, men fortsatte att användas nattetid av illegala sprängare - så kallade ”moonshiners”. att utvinningen av skiffergas i själva verket totalt sett är smutsigare än kol och att man därför inte åstadkommer någon miljövinst genom att ersätta kol med skiffergas. Dessutom krävs det enorma mängder vatten, vilket kan skapa eller förvärra vattenbrist. Vissa hävdar också att mindre jordbävningar kan uppstå som följd av frackingen. Ett annat problem med fracking är att produktionskapaciteten i de enskilda brunnarna snabbt faller. En åttiofem procentig minskning på tre år är normalt. Det innebär att arbetsinsatsen blir stor och att det ständigt krävs nya borrningar. Och eftersom exploateringen måste ske successivt allt närmare tättbefolkade områden ökar motståndet. Tidigare kunde man helt enkelt köra ut dricksvatten med tankbilar om det skulle hända något kemikalieläckage och eventuellt ersätta drabbade ekonomiskt. 20 FORSKNING ENERGI Fracking undantogs från delar av den amerikanska miljölagstiftningen under Bushs tid, men om det ökade motståndet skulle innebära att man skärper miljökraven, så blir ju fracking mindre attraktiv. Fracking skapar både många arbetstillfällen inom USA och ett minskat beroende av import, vilket har varit gynnsamt för ekonomin. Idag är hälften av den gas som produceras i USA skiffergas. Utanför USA finns det ingen betydande frackingverksamhet. Kina och Australien har varit mycket intresserade. Ryssland har visserligen stora skiffertillgångar, men också mycket konventionell naturgas. I Europa är det främst Polen som har stora skiffer-förekomster och landet kan bli aktuellt för utvinning. Även Tyskland och Storbritannien kanske. EU talar ju mycket om att minska energiberoendet av Ryssland och ser därför skiffergasen som någonting positivt. Precis som i USA menar man också att verksamheten skulle kunna skapa många arbetstillfällen. Men Europa är mer än dubbelt så tättbefolkat som USA, och miljölagstiftning, äganderätt, infrastruktur och annat gör exploateringen av skiffrar mindre attraktiv i Europa. sannolikhet att innebära att skiffergas och fracking får en ganska kort högperiod och knappast slå igenom i större skala i Europa. Efterlyser en balanserad bild På Uppsala universitet forskar Mikael Höök om fracking: – Media brukar hävda att detta är en ny och revolutionerande teknik, men det är det alltså inte, påpekar han. Den är hundrafemtio år gammal. Dessutom tycker jag att mycket av rapporteringen i media är omogen. Riskerna överdrivs starkt. Dom finns, men om verksamheten drivs exemplariskt, så är riskerna små. Kemikalieanvändningen till exempel är nog i allmänhet inte så farlig. – En annan typ av problem man sett, främst i USA, är att utvecklingen mot ett fossilfritt samhälle går långsammare på grund av skiffergasen. Det är billigare att satsa på skiffergas än på förnybar energi. – Men ett av de största problemen kan jag tycka är att det knappast finns någon oberoende forskning om fracking, menar Mikael Höök. Rapporterna kommer oftast från privata tankesmedjor eller forskningsinstitut kopplade till bolag. – Man måste alltid se energisituationen i ett helhetsperspektiv. Inget energislag löser alla problem, såsom man trodde med kärnkraften på 70-talet, eller till exempel det vätgassamhälle man nu pratar om. Fracking är en del av en större helhet och varken lösningen på energiproblemen eller en total katastrof. Mikael Höök är just på väg till Kina för tjänstgöring som gästprofessor vid China University of Petroleum i Beijing när vi pratas vid. – Jag skall bedriva forskningssamarbete med kinesiska kollegor. I Kina är man ju tvungna att ta miljöproblemen på mycket stort allvar. Idag svarar kolet för sjuttio procent av energianvändningen, vilket skapar jätteproblem. Det innebär att kineserna måste vara väldigt pragmatiskt inriktade och satsa på allt från kärnkraft och skiffergas till förnybart, liksom naturligtvis effektivisering. ••• Fracking i Sverige I Sverige är utvinning med hydraulisk spräckning tillåten, till skillnad från i till exempel Frankrike och Holland. Borrningar har gjorts i Skåne, men fyndigheterna betraktas inte som kommersiellt intressanta och Shell drog sig ur år 2012. I Östergötland och öster om Öland håller man på att borra efter en helt annan typ av biogen skiffergas, alltså inte den amerikanska termogena gasen, utan snarast en sumpgas, en förmultningsgas som kan finnas i ytliga skifferlager. Borrarna säger att dom håller på med skiffergas som inte behöver frackas, men det är alltså missvisande. Så trots peak oil kommer höga utvinningskostnader, osäker ekonomi, miljöpåverkan och bristande acceptans från allmänheten med all FORSKNING 21 SEISMOLOGI TEMA text LARS ALVEGÅRD De gäckande jordbävningarna Omfattande forskning internationellt har handlat lyckats kombinera olika typer av indikationer på ett sådant sätt att resultaten kan användas som förutsägelser. – Man har också studerat elektromagnetiska signaler. Tanken är att om jordskorpan börjar röra sig så borde man som en piezoelektrisk effekt få förändringar i elektriska och magnetiska fält. I till exempel Kalifornien såg man detta 1989 i efterhand, men man har inte upptäckt det sedan dess. Man har också försökt sig på satellitmätningar, men man hittar bara tillfälligheter, inga generella mönster. om att försöka förutsäga jordbävningar. Än så Hoppet står till förskalven länge med magert resultatet. – Det man är mest förhoppningsfull om nu är att studera de små förskalven. Sådana är vanliga innan det stora skalvet. Jag tycker också att detta är den troligaste vägen som skulle kunna leda till framgång, konstaterar Björn Lund. Utmaningen ligger i att identifiera dessa som just förskalv, att förstå att de indikerar att en jordbävning kommer att ske relativt snart. – Vi i Uppsala såg till exempel att man hade flera stora skalv med magnituden 6-7 på Richterskalan inom samma lilla område i Japan där den stora magnitud 9 jordbävningen inträffade ett halvt dygn senare. Detta har man sett flera gånger, särskilt vid plattgränserna. Men vi har inte tillräckligt bra kunskaper för att kunna säga att det verkligen kommer att ske en stor jordbävning. Man kan ju inte evakuera Los Angeles till exempel om man inte är rimligt säker. Men Björn Lund, Geovetenskaper, Uppsala universitet, har inte givit upp hoppet. DET GÖRS INGEN FORSKNING vid Uppsala universitet just nu om att förutsäga jordbävningar, men forskarna har tidigare varit inblandade i projekt på Island som handlade om detta. – Optimismen från -70-talet har ersatts av en mycket försiktigare attityd, berättar Björn Lund. Amerikanerna pratar om ”p-ordet” för ”prediction”. Det blev ett fult ord när det visade sig vara mycket svårare än man trott att förutsäga jordbävningar. Det blev ett rejält bakslag, eftersom man trott att man med utvecklade mätmetoder skulle lyckas. – Redan 1975 utrymde man en stad i Kina med en miljon invånare därför att man hade många indikationer som gjorde att man trodde att det skulle bli ett stort jordskalv. Särskilt den kraftiga ökningen av jordskalv - som man i efterhand förstod var förskalv - ansåg man gav ganska säkra förutsägelser. Och bara några dagar senare inträffade ett stort skalv som ödelade delar av staden och man hade räddat kanske hundra tusen liv. Då kände man att nu kan vi det här. Men redan året därpå inträffade den största jordbäv- 22 FORSKNING ningskatastrofen i modern tid, också i Kina, då uppemot en kvarts miljon människor fick sätta livet till. – Många är väldigt duktiga på ”postdiction”, alltså att i efterhand använda de data man hade före jordbävningen för att ”förutsäga” den, men man har inte hittat tillräckligt bra generella mönster för att man skall kunna göra riktiga förutsägelser. Och ändå har man studerat väldigt många olika företeelser. Alltifrån djurs beteenden - hundar, katter, fåglar, grodor och andra djur - till fysikaliska signaler såsom grundvattennivåer och halter av olika ämnen i grundvattnet. Forskare vid Stockholms universitet hade nyligen en artikel i Nature geoscience om förändringar i vattnet i ett hundra meter djupt borrhål på Island där man såg samband med jordskalv som inträffade en bit därifrån några månader senare. Tidigare har man sett samband när det gäller både isotoper och olika metaller och till exempel ökade radonhalter före jordbävningar. Men inget har fungerat i prediktivt syfte. Det är för mycket ”brus” i de data vi har. Man har heller inte Den markrörelse, i mikrometer per sekund, som mättes upp på deb seismiska stationen norr om Edsbyn den 15 september 2014, cirka 13 sekunder efter jordskalvet söder om Sveg kl 15:08. Tre komponenter av rörelsen mäts - i öst-väst (överst), nord-syd (mitten) och vertikalt (nederst). Data som dessa från olika stationer gör det möjligt att bestämma tid, plats och storlek på en jordbävning. FORSKNING 23 SEISMOLOGI SEISMOLOGI Dömda forskare – Vid en rättegång i Italien blev sju seismologer och medlemmar i landets nationella krishanteringskommission dömda till fängelse. Inte för att de inte förutsåg jordbävningen i L´Aquila 2009, utan för att man enligt domaren felaktigt analyserat händelseförloppet och felaktigt informerat om riskerna. Att man kan hamna i fängelse för att man drar vissa slutsatser är ju hemskt, tycker jag. Men en person i gruppen gjorde misstaget att säga att människor inte alls skulle oroa sig, utan gå hem och ta ett glas vin istället. Många lät därför bli att lämna staden, vilket de kanske skulle gjort med ett försiktigare uttalande. Man hade haft en svärm av mindre förskalv som skakade om människor under flera veckor. Men det visar sig att i nittioåtta procent av alla fall i Italien, där man har sådana här svärmar av mindre förskalv, så blir det ingen stor jordbävning. – Man måste alltid vara mycket noga med att säga exakt vad man vet och vad man inte vet. Det är väldigt svårt att kommunicera osäkerhet. Människor vill ha raka svar. De italienska seismologerna blev inpressade i ett hörn och det får man inte bli som forskare. Allting innehåller ju osäkerheter eller grader av sannolikhet. Allteftersom arbetet med förutsägelser fortskrider behöver vi seismologer nå samma ”status” som meteorologerna har. Vi måste också få ha fel. har man system som sänder ut varningar så fort man detekterar ett större skalv. I Japan 2011 skedde magnitud 9 skalvet en bit ut i havet. Första markskakningen nådde den första mätstationen efter ungefär tjugo sekunder och efter ytterligare åtta sekunder hade tillräckligt många mätstationer uppfattat skakningen för att man skulle kunna lokalisera skalvet, bestämma magnituden och sända ut en varning. Så efter knappt en halv minut efter skalvet gick det ut en varning på radion och i appar om att det skett en stor jordbävning i havet. I Japan stoppas då automatiskt tunnelbanan, tåg och kraftverk. – Eftersom observationssystemen blivit så pass mycket bättre och datorkraften så mycket större tror jag det går att komma en bit längre med mera avancerad informationsbearbetning. Det pågår också studier om på vilket sätt förskalven berättar om spänningar i jordskorpan. Genom GPS-mätningar kan man studera rörelser i subduktionszonerna, alltså där en platta glider ner under en annan. I vissa områden där sker en rörelse som inte är seismisk, utan går mycket långsamt. Man kan se var det var det rör sig och var det inte rör sig och i de stillastående områdena kan man förvänta sig att det byggs upp så stora spänningar att de resulterar i jordbävningar. Man studerar alltså både seismiska och aseismiska data från seismografer och GPS. – Men det finns också en skola inom den statistiska seismologin som säger att det är teoretiskt omöjligt att förutse jordbävningar, eftersom de skulle vara fraktala fenomen som sker helt kaotiskt. Men det motsägs av att förskalven verkar accelerera mot tidpunkten för huvudskalvet. Det är alltid plattrörelser som är den bakomliggande ”Eftersom observationssys- temen blivit på pass mycket bättre och datorkraften så mycket större, tror jag det går att komma en bit längre med mera avancerad informationsbearbetning. Sensorer, mätstationer och informationsbearbetning – De senaste tio åren har vi haft en fullständigt explosiv utveckling när det gäller fasta sensorer och mätinstrument. Det finns tusentals seimografer utställda. Både i Kalifornien och i Japan 24 FORSKNING orsaken till jordbävningar när spänningar byggs upp i jordskorpan. I plattgränser kan man enklare förstå vad som händer. Det är svårare på längre avstånd från plattgränserna. – Våra jordskalv i Sverige sker mitt inne i en platta när ett gammalt spricksystem inte riktigt orkar hålla emot och rör sig. Då får vi ett skalv som det för någon månad sedan i trakterna av Sveg. Dessa skalv inne i plattorna är allra svårast att förutsäga. – Hos oss på seismologen i Uppsala ser vi alla jordbävningar på jorden som är större än ungefär 5,5 på Richterskalan. Nedåt Sydamerika är vi lite sämre och i Asien lite bättre. Ett steg på magnitudskalan motsvarar en faktor 32 i energi. Två steg innebär alltså en tusen gånger så stor jordbävning. Upp till magnitud 2 kallar man det mikroskalv, men här i Sverige tycker vi det är ganska stort. Bygga klokt – Det farligaste är ofta inte jordbävningarna i sig, utan rasande byggnader. Det är mindre farligt att vara ute på ett fritt fält. Men att rusa ut ur en byggnad kan ju också vara farligt. Det kan ju ramla ned takpannor, ledningar och annat. Är man inomhus bör man ställa sig nära en vägg och gärna i en dörröppning. Då har man skydd av väggen ovanför huvudet. Man skall inte vara nära fönster för de går ofta sönder. Och är man orolig när man reser utomlands, så är det bättre att välja moderna hotell, eftersom det är troligare att de är byggda enligt någon slags byggnormer. – Man skall bygga elastiska byggnader och byggnader som kan gå sönder utan att kollapsa. Alltså att betong och murbruk kan spricka, men armeringen ändå göra att byggnaden inte rasar. Jordens inre – Man kan också lära sig mera om jordens inre genom seismologin. Det är till stor del genom jordbävningar som vi lärt oss något om jorden. Genom att mäta hur lång tid vågorna tar att En seismisk station som hör till Svenska nationella seismiska nätet. fortplanta sig har vi konstaterat att jorden har en mantel som består av sten av en viss tjocklek, en yttre flytande kärna och en inre fast kärna. Lokalt åstadkommer man ibland artificiella skalv för att seismiskt mäta bergets struktur, sprickighet med mera. Och när man letar efter olja och gas använder man sig också av seismik för att hitta håligheter. – Men det känns lite trist att vi inte kommit längre när det gäller att förutsäga jordbävningar. Samtidigt är det en utmaning och ett viktigt område att ägna sig åt, eftersom de tar så många liv. Vi har ju just gått igenom en tioårsperiod med flera riktigt stora jordbävningar. Sumatra i Indonesien 2004, som tog 230.000 människoliv, Chile 2010 och Japan 2011. I Chile blev katastrofen mindre bland annat på grund av att man har bra byggnormer och följer dem. Sedan kan man inte jämföra Chile med Indonesien, eftersom man inte fick någon tsunami i Chile, medan det var tsunamin som skördade flest offer i Indonesien. Samma sak i Japan. Hade inte tsunamin kommit så skulle man ha man ha klarat sig otroligt väl. Till och med kärnkraftverket stod emot jordbävningen mycket bra, men sedan kom den ofantliga havsvågen. ••• FORSKNING 25 SPINNTRONIK Forskarna i spinn Chalmersforskare har upptäckt att grafen kan bevara elektroners spinn betydligt längre tid, och förmedla det över större avstånd, än vad som hittills varit känt. Detta öppnar dörren för en utveckling av spinntroniken med snabbare och energisnålare processorer. S aroj Dash leder forskargruppen på Chalmers: Vi tror att de här resultaten kommer att väcka stor uppmärksamhet i forskarvärlden och sätta grafen på kartan för tillämpningar med spinntroniska komponenter, säger Saroj Dash, som leder forskargruppen på Chalmers. Spinntronik bygger på elektronernas kvanttillstånd och tekniken används redan idag i avancerade hårddiskar för datalagring. Men där behöver den spinnbaserade informationen bara förflytta sig några få nanometer. Detta är tur, eftersom samordnat spinn är en egenskap hos elektroner som i de flesta material är extremt kortlivad. Spinn som informationsbärare Det finns dock stora fördelar med att kunna utnyttja spinn som informationsbärare, i stället för - eller som komplement till elektrisk laddning. Spinntronik skulle bland annat kunna göra processorer betydligt snabbare och mindre energikrävande än vad de är idag. Grafen är en lovande kandidat för att vidga användningen av spinntronik inom elektronikindustrin. Det tunna kolnätet är nämligen inte bara en utmärkt elektrisk ledare, utan har även teoretiskt en sällsynt förmåga att släppa fram elektroner med spinnet i behåll. – I framtida spinnbaserade komponenter räknar man med att elektronerna måste kunna föra med sig sitt spinn flera tiotals mikrometer. Metaller, som aluminium eller koppar, har inga förutsättningar att klara detta. Grafen framstår som det enda möjliga materialet, säger Saroj Dash. I grafen kommer elektroner ihåg sin magnetisering, eller sitt spinn (de rosa pilarna i bilden) mycket längre än vad de gör i vanliga ledare som koppar och aluminium. Det är möjligt att denna egenskap i grafen gör att så kallad spinntronik kan utvecklas till ett komplement till den traditionella elektroniken som bara utnyttjar en av elektronens frihetsgrader, nämligen dess laddning. 26 FORSKNING FORSKNING 27 SPINNTRONIK Saroj Pasad Dash CVD-grafen industriellt intressant Venkata Kamalakar Mutta Chalmersforskarna har genomfört sina experiment med så kallat CVD-grafen, som tillverkas genom kemisk ångdeponering. Metoden ger grafen med en hel del ojämnheter och andra defekter. Men den har även fördelar: Det finns goda utsikter för produktion av stora grafenstycken i industriell skala. Grafenet kan också enkelt tas loss från den kopparfolie där det byggs upp och lyftas över på en kiselplatta halvledarindustrins standardmaterial. Trots att materialkvaliteten alltså är långt ifrån perfekt kan forskargruppen nu visa på parametrar för spinn som är upp till sex gånger högre än vad som tidigare rapporterats för någon form av grafen på liknande underlag. – Våra mätningar visar att spinnsignalen går fram i grafenkanaler som är upp till 16 mikrometer långa. Varaktigheten för det samordnade spinnet har uppmätts till över en nanosekund, säger chalmersforskaren Venkata Kamalakar. – Detta är lovande eftersom det talar för att spinnparametrarna kan förbättras ytterligare i takt med att tillverkningsmetoden utvecklas. Att forskarna fokuserar på hur långt spinnströmmen kan förmedlas ska inte tolkas som att det bara handlar om att skicka information i ett nytt material, alltså att ersätta metaller eller halvledare med grafen. Målet är i stället ett helt nytt sätt att utföra logiska operationer och lagra information. Ett koncept som, om det lyckas, skulle ta den digitala tekniken ett steg bortom dagens halvledarteknik. – Grafen är en god ledare som saknar bandgap. Men inom spinntroniken behövs inga bandgap för att ställa om mellan på och av, etta och nolla. Det styrs i stället med hjälp av elektronströmmens upp- eller nerspinn, förklarar Saroj Dash. Ett mål på kort sikt är nu att konstruera en logisk komponent - inte olik en transistor - uppbyggd av grafen och magnetiskt material. Huruvida spinntroniken på sikt helt och hållet kan ersätta halvledartekniken är en öppen fråga mycket forskning återstår. Men att grafen, med sina dubbla ledningsförmågor, kommer att finnas med i sammanhanget är högst sannolikt.••• Forskarna har tillverkat spinntronik-komponenten i Nanoteknik-laboratoriet på Chalmers. Från vänster: Saroj Prasad Dash, Venkata Kamalakar Mutta och André Dankert. Foto: Oscar Mattsson Chalmers tekniska högskola För mer information: http://www.nature.com/ncomms/2015/150410/ ncomms7766/full/ncomms7766.html [email protected] [email protected] 28 FORSKNING Schematisk illustration av spinntransport i CVD-grafen på Si/SiO2-substrat, med ferromagnetiska kontakter (Co/TiO2) för spinn-injektion och detektion. Spinn är en kvantmekanisk egenskap hos elementarpartiklar, som bland annat ger upphov till magnetism. Spinnet kan vara antingen riktat upp eller ner. Bland elektroner i en normal elektrisk ström är spinnet slumpvis fördelat, strömmen bär alltså ingen spinnsignal. Men med hjälp av magneter kan elektroner som matas in i en ledare polariseras, så att alla får spinnet riktat upp eller ner. Utmaningen är att upprätthålla denna ordning tillräckligt länge och över tillräckligt stora avstånd. Elektronernas samordnade spinn störs nämligen lätt av faktorer i omgivningen. Atomer och deras kristallstrukturer i det ledande materialet har ett elektriskt fält, som uppfattas som ett magnetfält av de elektroner som rusar förbi. Men eftersom kol är en så pass lätt atom, med bara sex protoner som sitter i en symmetrisk hexagonstruktur, blir denna magnetiska störning mycket begränsad. FORSKNING 29 FOTOSYNTES Professor Richard Neutze, Instititionen för kemi och molekylärbiologi Göteborgs universitet. Göran Gustafssonpristagare 2015 (se sid 9) Foto: Johan Wingborg Extremt snabba proteiner FORSKNING 31 FOTOSYNTES MATERIAL D et var tidigt 2012 som Richard Neutze och hans forskarteam, samt studenten David Arnlund, fick möjligheten att åka till Stanforduniversitetet i USA för att få tillgång till lasern LCLS och genomföra sina forskningsstudier vid universitetet. LCLS är en så kallad frielektronslaser som kan producera röntgenstrålning som är mer än en miljard gånger starkare än andra röntgenkällor som finns att tillgå. – LCLS är en revolutionerande maskin som möjliggör helt andra typer av experiment än vad som är möjligt med konventionella röntgenkällors synkrotronstrålning, säger Richard Neutze, professor vid Institutionen för kemi och molekylärbiologi, Göteborgs universitet. Följde proteinets förändring I experimenten belyste forskarna ett protein med en laser och på så sätt kom fotosyntesmekanismen igång. Proteinet som forskarna använde har framställts på Lundberglaboratoriet i Göteborg. Genom att sedan skjuta stark röntgenstrålning på det aktiverade proteinet fick forskarna en stillbild av hur proteinet förändrats. Med tillräckligt många stillbilder med olika tidsavstånd mellan laser och röntgen kunde forskarna sedan bygga upp en filmsekvens över hur proteinet förändrats efter det att laserpulsen träffat. – Jag tycker personligen att det är anmärkningsvärt att ett protein kan genomgå förändringar på denna korta tidsskala. Förändringarna sker på den tid det tar för ljuset att förflytta sig två millimeter, säger Richard Neutze. Forskningsresultaten publicerades nyligen i Nature methods och studierna visar hur proteinet genomgår en andningsliknande rörelse, inte helt olikt hur en jordbävning fortplantar sig från dess epicentrum. – Energi frigörs från proteinets epicentrum och driver fram en intern explosion, en förändring i proteinet som varar i pikosekunder, säger Richard Neutze. ••• Göteborgs universitet För mer information: http://www.nature.com/nmeth/journal/v11/n9/full/nmeth.3074.html [email protected] 32 FORSKNING Ämnen det finns rikligt av på jorden - kol, kväve och övergångsmetalloxider - kan kombineras till mycket effektiva katalysatorer som kan användas i både bränsleceller och för elektrolys. Det visar Tiva Sharifi experimentellt i sin avhandling vid Umeå universitet. T iva Sharifi, Umeå universitet: – Jag har tagit fram en katalyselektrod med enastående prestanda och stabilitet för flera viktiga energiomvandlingsprocesser. I takt med att oljan börjar sina, intensifieras jakten på nya alternativa energiresurser. Vätgasproduktion, genom att spjälka vattenmolekyler till syre och väte med hjälp av solljus som drivkraft, kan vara en intressant metod i framtiden för att få fram ett förnybart bränsle. För att kunna använda vätgas som bränsle, el eller värme behövs en energiomvandlare. Ett exempel är en bränslecell som kan omvandla vätgasens kemiska energi till elektricitet. Verkningsgraden hos en bränslecell är hög och restprodukten består av endast vatten. Bränslecellen är dock beroende av effektiva elektrokatalysatorer för att fungera eftersom de elektrokemiska processerna i bränslecellen inte sker spontant. Vanligen syntetiseras sådana elektrokatalysatorer separat Tiva Sharifi. Foto: Ingrid Söderbergh Forskare vid Göteborgs Universitet har, under ledning av professor Richard Neutze, med hjälp av extremt fokuserad och intensiv röntgenstrålning kunnat visa hur ett fotosyntesprotein genomgår en jordbävningsliknande rörelse när det utsetts för stora mängder energi. Effektivare katalysatorer för bränsleceller och katalys och fästs sedan på ytan av ett ledande material, som samlar strömmen. Denna kombination fungerar som elektrod (antingen katod eller anod) i den elektrokemiska cellen. Att få dessa katalyselektroder att fungera effektivt i stor skala är komplext, och involverar bland annat problem med en effektiv överföring av elektroner från katalysmaterialet till elektroden. Många elektroder har också problem med stabilitet eftersom katalysmaterialet gärna vill lossna från elektroden under energiomvandlingsprocessen. Ett annat problem med de nuvarande katalysmaterialen är att de består av platina och andra ädelmetaller, som alla är väldigt sällsynta och dyra. Tiva Sharifi har i sin avhandling fokuserat på att tillverka elektrodmaterial så att flera av de existerande problemen minimeras. Hon har löst detta genom att välja alternativ till ädelmetaller och låta det katalytiskt aktiva materialet växa direkt på “elektrodytan” som består av ett billigt ledande substrat tillverkat av kolfiber. Genom att kombinera material såsom kvävedopade kolnanorör, transitionsmetaller såsom järnoxid, och koboltoxid, med det ledande substratet så kan en komplett elektrod tillverkas. Hennes avhandling innefattar til�lämpad forskning med inriktning på att lösa praktiska problem rörande möjligheterna till effektiva kataly- satorer som kan tillverkas i relativt stor skala med billiga metoder. Men hennes forskning inriktar sig också på att lösa grundläggande frågeställningar kring hur katalysmaterialen fungerar. En central frågeställning har varit hur olika kvävedefekter beter sig i kolmaterialen. Kvävedefekter kan introduceras i kolmaterial genom att byta ut vissa kolatomer mot kväve. – De har mycket intressanta egenskaper för både möjligheten att framställa helt metallfria katalysatorer, men också för att underlätta möjligheten att fästa andra katalyspartiklar på materialen, säger Tiva Sharifi. ••• Umeå universitet FORSKNING 33 BIOLOGI Plantor som renar jord och räddar liv Arsenik är ett av de mest förekommande ämnena i jordskorpan och finns överallt i naturen. Det är också extremt giftigt för oss människor och långvarig exponering kan leda till många allvarliga sjukdomar. Forskare i molekylärbiologi vid Högskolan i Skövde har nu gjort nya framsteg och tagit fram en helt ny typ av planta som kan suga upp och lagra arsenik - i sina rötter. I Sydostasien exponeras omkring en halv miljard människor dagligen för arsenik, antingen genom att dricka förorenat vatten eller genom att äta grödor odlade på arsenikförgiftad odlingsmark. Även i andra delar av världen, inklusive Sverige, har arsenik i marken blivit ett problem som skapar mycket oro. Långvarig exponering av arsenik kan leda till olika hudsjukdomar, olika former av cancer, diabetes, fertilitetsstörningar och försämrad leverfunktion. – Det som är revolutionerande i vår forskning är att vi har tagit fram en planta som lagrar arsenik i sina rötter, vilket gör att de ätbara delarna av plantan är helt ofarliga för människan och blir fullt dugliga livsmedel till människor i utsatta delar av världen, säger Noor Nahar, doktorand i molekylärbiologi vid Högskolan i Skövde. Det huvudsakliga målet för forskningen som bedrivs vid Högskolan i Skövde är alltså att eliminera eller minska arsenikansamling i livsmedel och i vår miljö. På vissa delar av jorden är marken idag så förgiftad att den måste renas. Renande kretslopp De giftiga rötterna som blir över sorterar man sedan bort och den arsenik som finns i dem går vidare till industrin, så att det uppstår ett renande kretslopp med hållbarhetsfokus. – Man kan jämföra våra genombrott i den här forskningen med det ”gyllene riset” som utvecklades under 1990-talet som ett biståndsprojekt för att hjälpa barn i Asien och Afrika. Det var ett ris där man bland annat tillsatte betakaroten och järn till riset för att råda bot på den A-vitaminbrist med blindhet som följd som drabbade många barn i utsatta fattiga områden, säger Abul Mandal, professor i molekylärbiologi vid Högskolan i Skövde. Noor Nahar, som just doktorerat i molekylärbiologi har utfört sin forskning på en tobaksplanta med lyckat resultat. Nästa steg är nu att ta forskningen vidare till odlingsgrödor av socioekonomisk betydelse, som till exempel ris och vete. Livsmedel som är fria från arsenik eller har ett väsentligt reducerat arsenikinnehåll skulle kunna skydda miljontals människor runtom i världen från matbaserad arsenikförgiftning och dess dödliga konsekvenser Forskningen är finansierad av Formas och Sida. ••• FORSKNING 35 BOKTIPS Om mörk materia och energi Författaren till hyllade ”Stjärnor och äpplen som faller” och ”Den bästa av världar” kommer nu med en ny bok om den största gåtan i universum: Mörk materia och energi. Vi står inför en ny revolution inom fysiken, där bilden av vårt universums mörka och okända sida sakta börjar klarna. Den saknade pusselbiten av partikelfysiken har hittats genom upptäckten av Higgspartikeln och det är dags att ta nästa steg. Med hjälp av strängteorin målas en bild upp av ett världsallt oändligt mycket större än vad vi tidigare trott. Vårt universum är kanske bara en liten del av ett obegripligt storslaget multiversum som vi bara precis börjat ana vidden av. I boken får vi stifta bekantskap med den mörka materien och den mörka energin som fysikerna fortfarande vet mycket lite om. Vi utforskar de mörka tidsåldrarna före Big Bang, får en skymt av hur det gick till när vårt universum skapades och följer historien vidare in i en avlägsen och hotande framtid. Mörkret vid tidens ände tar dig till den absoluta forskningsfronten. Ulf Danielsson beskriver den mest storslagna vetenskapen med sin karaktäristiska och poetiska prosa. När du läst den kommer du aldrig att se på stjärnhimlen på samma sätt igen. Mörkret vid tidens ände Författare: Ulf Danielsson Do you think others would benefit from your research? Need help with issues regarding patents? Are there parts of your research that could be commercialized? Are you interested in testing your research against an experienced jury? Venture Cup is the leading competition for those looking to develop their ideas and implement their research results within a business. Venture Cup offers: Free feedback Free supervision A possibility to test your idea Access to a wide network More information about the competition: www.venturecup.se/english If you need help getting started you can contact the competition manager in your region. You can find contact information at www.venturecup.se/kontakt Chance to win prize money Förlag: Fri Tanke ISBN : 978-91-87513-45-9 Läs ett utdrag ur boken: http://www.fritanke.se/smakprov/9789187513459.pdf 36 FORSKNING By participating in Venture Cup, you as a researcher or PhD-student get free help to develop and articulate your business idea and also write a professional business plan for it. The best ideas with high growth potential will share a total SEK 1,8 million in prize money. Each semester the winners of each four competition categories receive SEK 25 000 and then an overall-winner is chosen that receives an additional SEK 100 000. After that all regional winners will go through a screening process and have a chance to go to the Swedish finals and compete against the best. All participants are judged by an experienced jury during the competition process. The jury also gives constructive feedback to participants to develop their business ideas into professional businesses. All participating business ideas are treated confidentially, which is a necessity for Venture Cup. www.venturecup.se
© Copyright 2024