Visste du at industrien treng over 100 millionar tonn rein oksygengass kvart år? Oksygen er faktisk det femte mest brukte kjemikaliet i verda, og mesteparten går med i stålproduksjon, kjemisk industri, sveising og til medisinske formål. Oksygen er heldigvis ikkje ein sjeldan ressurs på kloden vår, men det å hente det ut frå lufta rundt oss er overraskande vanskeleg.

For å få til dette, brukar nemleg industrien ein svært energikrevjande og komplisert prosess kalla kryogenisk destillasjon. Der må luft først kjølast ned til rundt -185 °C slik at den vert flytande før den kan destillerast på same måte som ein destillerer sprit, og alt dette krev enorme mengder energi! Tenk om me berre hadde hatt ein betre måte å hente ut oksygenet frå lufta på? Møt helten min: Den keramiske membranen.

Frida Paulsen Danmo holder en keramisk membran. Foto
Denne litle tingen her kan kanskje revolusjonere heile oksygenindustrien. Foto: Per Henning/NTNU

Keramiske membranar

Membranar har den fantastiske eigenskapen at dei kan la spesifikke ting sleppe igjennom, for eksempel molekyl, ion eller partiklar, mens alt anna blir stoppa. Sjå føre deg ei dørvakt som står utanfor ein eksklusiv nattklubb som berre slepp igjennom VIP-gjestane på lista. På lista til dørvakta mi står det berre ein ting: Oksygen. Det keramiske materialet eg brukar til å laga membranane mine er nemleg det som kallas ein oksygenleiar, og har den spesielle eigenskapen at den kan transportere oksygenion gjennom seg litt slik som andre materialar kan leie straum. På denne måten kan me hente ut reint oksygen rett frå luft, utan å måtte kjøle den ned først, noko som kan redusere energiforbruket i oksygenproduksjon drastisk! Det kan verkeleg vere eit stort steg mot ein meir miljøvennleg industri. Slike membranar er ikkje eit heilt nytt konsept, men det som er spanande i mi forsking er at me ser på ein heilt ny type materialar som aldri har blitt brukt til dette før! For akkurat den samansetninga eg jobbar med er det berre eg som har laga i heile verda, og berre det er jo kult i seg sjølv!

Illustrasjon av oksygenmembran mellom nitrogen og oksygen. Foto

Membran-glasur

Det er likevel ikkje heilt rett fram for oksygen å bevege seg igjennom ein slik membran. For at oksygenet skal komma seg frå eine sida av membranen til den andre, så må det skubba seg framover innimellom mange andre atom inni der, og om membranen er for tjukk så orker oksygenatoma rett og slett ikkje tanken eingong på å måtta kjempa seg igjennom den. Derfor må membranen eg lagar vera supertynn, faktisk berre halvparten så tjukk som eit hårstrå! For å få til dette her brukar eg ei lita malingssprøyte, som sprayar små partiklar av materialet mitt på porøse underlag som eg har laga på førehand.

"Spray coating" av keramiske membran. Foto
Det å lage membranar ved hjelp av «spray coating» krev ei stødig hand, og ein solid dose tolmod. Heldigvis hjelp det å ha god musikk eller interessante podcastar å høyre på undervegs.

Resultatet ser litt ut som eit tynt lag med membran-glasur oppå ei skikkeleg tørr og hard kake. For å sjå nærare på korleis membranen min ser ut, må eg bruke eit elektronmikroskop, som brukar elektron i staden for lys til å «sjå». Det gjer at ein kan sjå på ting som er heilt nede i mikro- og nanometerstørrelse! Då kan eg finne ut kor tjukk membranen min er, om «glasur»-laget er jamt fordelt, og, aller viktigast, om den har blitt heilt tett slik at ikkje noko anna enn oksygen kan gå igjennom den. Alt dette må nemleg vere perfekt før me kan byrje å teste kor effektiv membranen er.

Visning av membranen gjennom et elektronmikroskop. Illustrasjon
Ved å studera membranen gjennom eit elektronmikroskop kan ein kome ganske tett på det ein har laga. Denne membranen her er nesten heilt tett, men den har framleis nokre hól og sprekker i seg som må bli fiksa før den er klar for å redde verda.

Om eg får til å lage ein fungerande membran som kan gjere oksygenindustrien meir miljøvennleg vil tida vise. Så langt er eg halvvegs i doktorgradsstillinga mi, og eg har framleis ein heil haug av idear som eg ønskjer å teste ut dei neste to åra, så eg har trua på at eg og membranen min kanskje kan få til noko stort!