Transitie Uitdagingen
Vrij naar Chad A. Mirkin, Edward H. Sargent en Daniel P. Schrag - Science - 16 mei 2024 - Vol 384, nummer 6697 - p. 713 - DOI: 10.1126/science.adq3799
De dalende kosten van elektriciteit uit wind- en zonne-energie wereldwijd, evenals die van eindgebruikstechnologieën zoals elektrische voertuigen, weerspiegelen de substantiële vooruitgang die is geboekt in de richting van het vervangen van fossiele brandstoffen door alternatieve energiebronnen. Maar een volledige transitie naar schone energie kan alleen worden gerealiseerd als talloze uitdagingen worden overwonnen. Veel problemen kunnen worden aangepakt door de ontdekking van nieuwe materialen die de efficiëntie van de energieproductie en -consumptie verbeteren; de behoefte aan schaarse minerale hulpbronnen verminderen; en de productie van groene waterstof, schone ammoniak en koolstofneutrale koolwaterstofbrandstoffen ondersteunen. Onderzoek en ontwikkeling van nieuwe energiematerialen zijn echter niet zo agressief als ze zouden moeten zijn om aan de eisen van de klimaatverandering te voldoen.
Er zijn twee grote obstakels voor de transitie naar schone energie. Delen van het energiesysteem in de wereld kunnen niet worden geëlektrificeerd, zoals de luchtvaart, het zware vrachtvervoer en de scheepvaart. Alternatieven zijn waterstof, ammoniak, biobrandstoffen of synthetische brandstoffen, maar de huidige kosten zijn veel te hoog. Bovendien vereist de groei van hernieuwbare energiebronnen – waarvan de beschikbaarheid zowel dagelijks als per seizoen varieert – veranderingen in de energieopslag, waarbij de mondiale adoptie wordt aangedreven door kostenbesparingen in plaats van door regulering en beleid.
In de Verenigde Staten is een strategie nodig die toegepast onderzoek, beleid, financiering en infrastructuurontwikkeling integreert om deze uitdagingen aan te pakken. Ondanks de vooruitgang in de waterstofproductie door middel van elektrolyse zijn er bijvoorbeeld obstakels voor de commercialisering. Iridium is een katalysator voor de zuurstofontwikkelingsreactie die wordt gebruikt om waterstof uit water te maken. Iridium is echter zeldzaam en duur, en is voornamelijk afkomstig uit Zuid-Afrika en Rusland, wat geopolitieke uitdagingen met zich meebrengt. Alle alternatieven voor iridium moeten niet alleen overeenkomen met de prestaties en betrouwbaarheid ervan, maar ook wereldwijd toegankelijk zijn en milieuvriendelijkere methoden voor de winning van mineralen hanteren. Het versnellen van de ontdekking van nieuwe materialen ter vervanging van iridium – en van andere elementen die worden gebruikt in katalysatoren, kathodes, elektrolyten en additieven – vereist meer investeringen bij federale financieringsinstanties.
Om de ontdekking te bespoedigen, is het versnellen van de synthese en het testen van kandidaat-materialen van cruciaal belang. Eén benadering omvat het creëren van ‘megabibliotheken’, microchips die zijn ontworpen om tegelijkertijd miljoenen positioneel gecodeerde materialen te testen en enorme hoeveelheden gegevens over materiaaleigenschappen te genereren. Deze gegevens moeten als leidraad dienen voor de identificatie van nieuwe materialen die technologie mogelijk maken. Door van deze datasets te leren, zou kunstmatige intelligentie veelbelovende materiaalsamenstellingen sneller kunnen voorspellen dan menselijke onderzoekers met traditionele experimenten zouden kunnen.
Een ander onderdeel van een materialenrevolutie is talent. Wetenschappers, van studenten tot onderzoekers, moeten voldoende vertrouwd raken met natuurkunde, scheikunde, materiaalkunde, techniek en informatica. Dit vergt een nieuwe benadering van het onderwijs. Eén weg vooruit is het ontwikkelen van curricula voor afgestudeerden waarin studenten hun eigen pad bepalen om de vaardigheden en kennis te verwerven die nodig zijn voor hun specifieke interesses en innovatieve projecten. Naties moeten er ook voor zorgen dat wetenschappers kunnen verhuizen om samen te werken aan schone technologieën. Dit kan betekenen dat men zich moet verplaatsen tussen de locaties van R&D en ontdekking, commercialisering en productie.
Om deze versnelling in de ontdekking van materialen te bereiken, zijn investeringen vanuit de industrie van cruciaal belang. Overheidssteun zal een rol blijven spelen, maar betrokkenheid van de particuliere sector is noodzakelijk om doorbraken van het laboratorium naar de commercialisering te schalen. Er moeten nieuwe soorten partnerschappen tussen de academische wereld, het bedrijfsleven en de overheid tot stand worden gebracht die zowel innovatie als implementatie stimuleren. Missiegericht onderzoek, zoals het ontwerp van nieuwe batterijen en alternatieve vloeibare brandstoffen, zou een ideaal oefenterrein zijn voor een nieuw soort wetenschapper-ingenieur-ondernemer. “Acceleratorsubsidies” van de publieke en private sector die dergelijke activiteiten bevorderen, zullen essentieel zijn.
Vorig jaar bedroegen de mondiale investeringen in schone energie 1,7 biljoen dollar, waarmee de investeringen in fossiele energie met 70% werden overtroffen. Toch voldoet dit niet aan wat nodig is om de gevolgen van de klimaatverandering te verzachten. Overheden moeten het innovatie-ecosysteem voor materiële ontdekking opnieuw vormgeven. Zoals de wereld tijdens de pandemie heeft gezien, heeft het verlagen van de barrières voor het vertalen van ontdekkingen in producten de ontwikkeling van vaccins getransformeerd ten behoeve van miljarden mensen. Hetzelfde doen voor schone energiematerialen zal de planeet beschermen en miljarden mensen nu en in de toekomst van dienst zijn.