ERC-styrkur til að þróa nýjar aðferðir sem tengjast bættri nýtingu sólarorku

Dr. Gianluca Levi, nýdoktor við Raunvísindastofnun Háskólans, hefur hlotið 1,5 milljóna evra styrk, jafnvirði nærri 230 milljóna króna, frá Evrópska rannsóknaráðinu (ERC) til rannsóknaverkefnis sem miðar að því að þróa nýjar aðferðir og tækni sem auðveldar þróun nýrra og hagkvæmari leiða til að nýta sólarorku. Þetta er níundi styrkurinn sem vísindamenn tengdir HÍ fá frá ERC.

Verkefnið ber yfirskriftina „New excited state methods for overcoming challenges in sunlight conversion“ (NEXUS). Það er til fimm ára og telst vera grunnrannsóknir þar eð einkum er um að ræða þróun á nýjum reikniaðferðum og innleiðingu þeirra. Grunnrannsóknir hafa verið grundvöllur flestra uppgötvana og nýjunga sem við þekkjum í nútímasamfélagi.

Gianluca hefur starfað sem nýdoktor í rannsóknarhópi Hannesar Jónssonar, prófessors við Raunvísindadeild HÍ, frá árinu 2018 og hefur unnið að rannsóknum með stuðningi frá Rannsóknasjóði Íslands sem einkum hafa falið í sér þróun líkana af örvuðum ástöndum sameinda. Talað er um að sameind sé í örvuðu ástandi eftir að hún gleypir í sig geislun, t.d. frá sólarljósi. Gianluca hefur einnig sett á fót eigin rannsóknarhóp sem hefur lagt áherslu á tilraunir með ofurhröðum ljóshvötuðum ferlum sem tengjast umbreytingu sólarljóss.

Í átt að betri og skilvirkari sólarorkuvinnslu

Rannsóknin tengist lífefnafræðilegum ferlum sem eru vel þekktir í náttúrunni, eins og ljóstillífun sem plöntur nota til að vinna orku úr sólarljósi. Í þessum ferlum á sér stað umröðun á bæði rafeindum og atómum í sameindum fyrir tilstilli orkunnar sem berst frá sólinni í formi ljósenda. Mönnum hefur tekist að beisla orku sólarinnar með þróun sólarrafhlaðna. Einnig hafa verið þróuð kerfi sem að hluta líkja eftir ljóstillífun og framleiða orkurík efni. Kerfin eru hins vegar ekki mjög skilvirk eða hagkvæm, m.a. vegna þess að það skortir betri skilning á þeim ferlum sem eiga sér stað þegar sólarljósi er breytt í orkuríkar sameindir. 

Markmiðið með rannsóknaverkefninu er því að varpa skýrara ljósi á þessa ferla með aðstoð nýjustu tækni og þá einkum reikniaðferða sem Gianluca og samstarfsfólk hefur verið að þróa. Ætlunin er að öðlast betri skilning á því hvernig atóm og rafeindir bregðast við þegar ljósgeislar lenda á sameindum og þær gleypa í sig ljóseindir, bæði þann tilflutning sem verður á rafeindum innan og milli atóma og áhrifin sem sólarljósið hefur á uppbyggingu sameinda. 

En hvernig rannsakar maður fyrirbrigði sem eru agnarsmá, eins og atóm, og ferli sem eiga sér stað á ofurstuttum tíma, svo sem milljónasta hluta af milljarði úr sekúndu? Til þess hyggjast Gianluca og samstarfsfólk nýta nýja skammtafræðilega aðferð sem hann hefur þróað með Hannesi Jónssyni prófessor til þess að búa til líkön af sameindum í örvuðum ástöndum, þ.e. þegar þær gleypa í sig ljósgeislun og rafeindir og atóm fara á hreyfingu í tengslum við umbreytingu sólarljóss í sólarorku. Á grundvelli þessarar nýju aðferðar er ætlunin í verkefninu að þróa og nýta aðferðir til tölvuhermana á sameindum og því hvernig þær bregðast við þegar þær gleypa í sig ljós og bregðast við umhverfi sínu. Þessar hermanir geta innihaldið þúsundir atóma og rafeinda og fara fram í ofurtölvum sem vísindamennirnir hafa aðgang í gegnum Íslensku netinnviðina fyrir rannsóknir (e. Icelandic Research E-Infrasturcture (IREI)). Samstarfsmenn Gianluca í verkefninu hér á landi eru áðurnefndur Hannes Jónsson og Elvar Örn Jónsson, sérfræðingur við Efnafræðideild Raunvísindastofnunar Háskólans.

Hluti rannsóknanna felst einnig í tilraunum þar sem röntgengeislar frá rafeindagasi (e. X-ray Free Electron Lasers) eru nýttir til þess að fá skyndimynd af hreyfingum rafeinda og atóma þegar sameindir gleypa ljós. Úr verður nokkurs konar kvikmynd af ferlum í sameindum í rauntíma. Að þeim tilraunum koma vísindamennirnir Martin M. Nielson, Kristoffer Haldrup og Asmus O. Dohn, fræðimenn við Danska tækniháskólann (DTU), en Asmus starfaði áður á Raunvísindastofnun.

Afrakstur rannsóknaverkefnisins verða m.a. nýjar aðferðir fyrir vísindasamfélagið til þess að nýta tölvureikninga til þessa að herma með auðveldari og skilvirkari hætti en áður hreyfingu atóma og rafeinda í því ferli þegar sameindir gleypa ljós. „Þessi nýja tækni getur mögulega flýtt fyrir nýjum upptövunum í ýmsum geirum efnafræði og líffræði þar sem sem ljósörvunarferlar gegna mikilvægu hlutverki. Það sem mestu skiptir þó er að rannsóknarverkefnið getur leitt til þróunar á hagkvæmari tækni til beislunar sólarorku, þar á meðal sameindavéla sem virkja tiltekin lyfjaefni með ljósi, ljósnema fyrir afar nýtnar sólarrafhlöður og sjálfbæra hvata til framleiðslu á sólarorku sem herma eftir náttúrulegri ljóstillífun, sem hefur verið langtímamarkmið fjölmargra rannsóknahópa,“ útskýrir Gianluca.

Níundi styrkurinn frá ERC á skömmum tíma

Styrkur Gianluca og samstarfsfólks er veittur undir hatti nýliðunaráætlunar Evrópska rannsóknaráðsins (ERC Starting Grants) sem styður unga vísindamenn á fjölbreyttum fræðasviðum í Evrópu. Alls bárust ráðinu nærri 3.500 umsóknir um styrki úr áætluninni í ár og samkeppnin var gríðarhörð því aðeins tæplega 500 vísindamenn hlutu náð fyrir augum ráðsins. 

Styrkurinn er sá níundi sem vísindafólk tengt HÍ hlýtur á undanförnum árum frá ERC en samkvæmt stefnu skólans er sérstök áhersla lögð á styðja við slíka styrkjasókn í harðri alþjóðlegri samkeppni. Auk styrks Gianluca á sviði efnafræði hafa vísindmenn skólans aflað styrkja á sviði lýðheilsuvísinda, lækna- og lyfjavísinda, stjarneðlisfræði, stafrænna hugvísinda, félagsfræði menntunar og málvísinda.