Deze uitvinding plukt de belangrijkste grondstof voor kunstmest rechtstreeks uit de lucht

Deze uitvinding plukt de belangrijkste grondstof voor kunstmest rechtstreeks uit de lucht© Scientias.nl

Wetenschappers hebben een technologie ontwikkeld die ammoniak, de belangrijkste grondstof voor kunstmest, rechtstreeks uit de lucht kan produceren.

Het huidige productieproces van kunstmest, beter bekend als het Haber-Bosch-proces, is een grote vervuiler. Deze methode, die al meer dan honderd jaar wordt gebruikt, verbruikt ongeveer twee procent van alle energie wereldwijd en is verantwoordelijk voor één procent van de wereldwijde koolstofdioxide-uitstoot. Reden genoeg voor wetenschappers uit de Verenigde Staten en Saoedi-Arabië om samen een efficiënter alternatief te ontwikkelen. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Science Advances.

Speciaal ontworpen materiaal

Het hart van deze innovatie is een speciaal ontworpen gaas, voorzien van twee belangrijke materialen. Het eerste is magnetiet, een bepaald ijzeroxide, en het tweede is een zogenaamd Nafionpolymeer, een kunststof die fluor en zwavel bevat. Deze combinatie vormt een katalysator: een stof die chemische reacties versnelt zonder zelf te worden verbruikt.

Wanneer lucht door het gaas stroomt, vinden meerdere processen tegelijkertijd plaats. Het gaas vangt eerst waterdamp uit de lucht op, die zich als kleine druppeltjes op het oppervlak vormt – vergelijkbaar met hoe dauw ’s ochtends op een spinnenweb ontstaat. Tegelijkertijd worden stikstofmoleculen uit de lucht gevangen. Aangezien gewone lucht voor 78 procent uit stikstof bestaat, is er een overvloedige bron beschikbaar. Het bijzondere aan deze uitvinding is dat de katalysator deze stikstofmoleculen kan ‘openbreken’ bij normale temperatuur en druk. Dat is een enorme vooruitgang ten opzichte van het traditionele proces, dat honderden graden aan hitte en extreem hoge druk vereist.

Verschillende chemische reacties

In de waterdruppeltjes op het gaas vindt vervolgens een chemische reactie plaats. De watermoleculen (H₂O) worden gesplitst in waterstof en zuurstof. De vrijgekomen waterstof reageert met de ‘opengebroken’ stikstof, wat leidt tot de vorming van ammoniak (NH₃). Het Nafionpolymeer speelt hierbij een cruciale rol door de reactie in de gewenste richting te sturen en de productie van ammoniak te bevorderen.

De efficiëntie van dit proces blijkt afhankelijk van omgevingsfactoren zoals luchtvochtigheid: hoe vochtiger de lucht, hoe meer ammoniak er wordt geproduceerd. Ook de grootte van de waterdruppeltjes en de snelheid waarmee de lucht beweegt, beïnvloeden de productie. Om de productie te verhogen, hebben de wetenschappers een slim systeem bedacht om materiaal te recyclen. Het water waarin de ammoniak is opgelost wordt opgevangen en opnieuw door het systeem geleid. Door dit meerdere keren te herhalen, kunnen ze de concentratie ammoniak steeds verder verhogen. Na ongeveer twee uur bereikt de oplossing een concentratie die hoog genoeg is om te gebruiken als meststof.

Geen externe energiebron nodig

Een van de meest opvallende kenmerken van deze technologie is dat er geen externe energiebron nodig is. Het systeem werkt op de natuurlijke beweging van lucht en de chemische werking van de katalysator. Dit staat in scherp contrast met het Haber-Bosch-proces, dat enorme hoeveelheden energie vereist om de extreme omstandigheden voor ammoniakproductie te creëren.

Nog enkele jaren wachten

De wetenschappers werken nu aan het opschalen van hun uitvinding. Ze experimenteren met grotere gaasoppervlakken en verschillende configuraties om de productie te verhogen. Het doel is een systeem dat voldoende ammoniak kan produceren om ook grotere landbouwgebieden te voorzien van kunstmest. Het team ziet onder meer kansen om deze technologie te integreren in bestaande irrigatiesystemen, zodat boeren lokaal hun eigen kunstmest kunnen maken.

“Dankzij deze doorbraak kunnen we de stikstof in onze lucht benutten en op duurzame wijze ammoniak produceren”, zegt hoofdauteur Richard Zare. “Het is een belangrijke stap in de richting van een gedecentraliseerde en milieuvriendelijke benadering van landbouw.” Toch zal de praktische toepassing nog even op zich laten wachten. Volgens medeonderzoeker Chanbasha Basheer duurt het nog twee tot drie jaar voordat de technologie klaar is voor grootschalig gebruik.

Meer wetenschap? Lees de nieuwste artikelen op Scientias.nl .

Deze uitvinding plukt de belangrijkste grondstof voor kunstmest rechtstreeks uit de lucht