Det er vanlig å tro at universets mest tallrike grunnstoff, hydrogen, hovedsakelig eksisterer sammen med andre grunnstoffer – for eksempel sammen med oksygen i vann og med karbon i metan. Men naturlig forekommende underjordiske lommer med rent hydrogen slår hull på denne forestillingen – og skaper oppmerksomhet som en potensielt ubegrenset kilde til karbonfri energi.

 

En av de interesserte er det amerikanske energidepartementet, som i forrige måned tildelte 20 millioner dollar i forskningsstipend til 18 team fra laboratorier, universiteter og private selskaper for å utvikle teknologier som kan føre til billig, rent drivstoff fra undergrunnen.

 

Geologisk hydrogen produseres når vann reagerer med jernrike bergarter og får jernet til å oksidere. En av tilskuddsmottakerne, forskergruppen til MIT-assistent Iwnetim Abate, skal bruke tilskuddet på 1,3 millioner dollar til å finne ut hvilke forhold som er ideelle for å produsere hydrogen i undergrunnen – med tanke på faktorer som katalysatorer for å sette i gang den kjemiske reaksjonen, temperatur, trykk og pH-nivå. Målet er å forbedre effektiviteten for storskalaproduksjon og dekke det globale energibehovet til en konkurransedyktig pris.

 

U.S. Geological Survey anslår at det potensielt finnes milliarder av tonn geologisk hydrogen begravd i jordskorpen. Det er oppdaget forekomster over hele verden, og en rekke nystartede selskaper leter etter utvinnbare forekomster. Abate ønsker å få fart på den naturlige hydrogenproduksjonen ved å ta i bruk “proaktive” metoder som innebærer å stimulere produksjonen og høste gassen.

 

“Vi tar sikte på å optimalisere reaksjonsparametrene for å gjøre reaksjonen raskere og produsere hydrogen på en økonomisk gjennomførbar måte”, sier Abate, Chipman Development Professor ved Institutt for materialvitenskap og -teknikk (DMSE). Abates forskning dreier seg om å utvikle materialer og teknologier for overgangen til fornybar energi, inkludert neste generasjons batterier og nye kjemiske metoder for energilagring.

En gnist for innovasjon

 

Interessen for geologisk hydrogen øker i en tid da regjeringer over hele verden søker karbonfrie energialternativer til olje og gass. I desember sa Frankrikes president Emmanuel Macron at hans regjering vil bevilge midler til å utforske naturlig hydrogen. Og i februar orienterte representanter fra myndigheter og privat sektor amerikanske lovgivere om mulighetene for å utvinne hydrogen fra bakken.

 

I dag produseres kommersielt hydrogen til 2 dollar kiloen, hovedsakelig til gjødsel-, kjemikalie- og stålproduksjon, men de fleste metodene innebærer forbrenning av fossilt brensel, som frigjør karbon som varmer opp jorden. “Grønt hydrogen”, som produseres med fornybar energi, er lovende, men med en pris på 7 dollar per kilo er det dyrt.

 

“Hvis du får hydrogen til en dollar kiloen, er det konkurransedyktig med naturgass på energiprisbasis”, sier Douglas Wicks, programdirektør ved Advanced Research Projects Agency – Energy (ARPA-E), energidepartementets organisasjon som leder tilskuddsprogrammet for geologisk hydrogen.

 

Blant mottakerne av ARPA-E-støtte er Colorado School of Mines, Texas Tech University og Los Alamos National Laboratory, i tillegg til private selskaper som Koloma, en oppstartsbedrift innen hydrogenproduksjon som har mottatt støtte fra Amazon og Bill Gates. Prosjektene i seg selv er mangfoldige og spenner fra anvendelse av industrielle olje- og gassmetoder for hydrogenproduksjon og -utvinning til utvikling av modeller for å forstå hydrogendannelse i bergarter. Formålet er å finne svar på spørsmål i det Wicks kaller et “totalt hvitt område”.

 

“Når det gjelder geologisk hydrogen, vet vi ikke hvordan vi kan akselerere produksjonen av det, fordi det er en kjemisk reaksjon, og vi vet heller ikke hvordan vi skal konstruere undergrunnen slik at vi kan utvinne det på en trygg måte”, sier Wicks. “Vi prøver å samle de beste ferdighetene fra hver av de ulike gruppene for å jobbe med dette, og tanken er at helheten skal kunne gi oss gode svar ganske raskt.”

 

Geokjemikeren Viacheslav Zgonnik, en av de fremste ekspertene på naturlig hydrogen, er enig i at listen over ukjente faktorer er lang, og det samme er veien til de første kommersielle prosjektene. Men han sier at arbeidet med å stimulere hydrogenproduksjon – å utnytte den naturlige reaksjonen mellom vann og stein – har et “enormt potensial”.

 

“Tanken er å finne måter vi kan akselerere reaksjonen på og kontrollere den slik at vi kan produsere hydrogen etter behov på bestemte steder”, sier Zgonnik, administrerende direktør og grunnlegger av Natural Hydrogen Energy, en Denver-basert oppstartsbedrift som har leiekontrakter for leteboring i USA. “Hvis vi kan nå dette målet, betyr det at vi potensielt kan erstatte fossilt brensel med stimulert hydrogen.”

 

“Et øyeblikk hvor sirkelen er sluttet”

 

For Abate er tilknytningen til prosjektet personlig. Da Abate var barn i hjembyen i Etiopia, var det vanlig med strømbrudd – lyset var borte tre, kanskje fire dager i uken. Flakkende stearinlys eller parafinlamper som avgir miljøgifter, var ofte den eneste lyskilden for å gjøre lekser om kvelden.

 

“Og i husholdningen måtte vi bruke ved og trekull til for eksempel matlaging”, sier Abate. “Slik var det helt frem til slutten av videregående skole og før jeg kom til USA for å studere.”

 

I 1987 avdekket brønngravere som boret etter vann i Mali i Vest-Afrika en naturlig hydrogenforekomst som forårsaket en eksplosjon. Flere tiår senere utnyttet den maliske gründeren Aliou Diallo og hans kanadiske olje- og gasselskap brønnen og brukte en motor til å forbrenne hydrogen og produsere elektrisitet i den nærliggende landsbyen.

 

Diallo droppet olje og gass og startet Hydroma, verdens første selskap for hydrogenutvinning. Selskapet borer brønner i nærheten av det opprinnelige stedet som har gitt høye konsentrasjoner av gassen.

 

“Det som tidligere var kjent som et energifattig kontinent, skaper nå håp for verdens fremtid”, sier Abate. “Å få vite om dette var et vendepunkt for meg. Problemet er selvfølgelig globalt, og løsningen er global. Men koblingen til min personlige reise, pluss at løsningen kommer fra mitt eget kontinent, gjør meg personlig knyttet til problemet og løsningen.”

 

Eksperimenter som skaleres

 

Abate og forskerne i laboratoriet hans er i ferd med å formulere en oppskrift på en væske som skal indusere den kjemiske reaksjonen som utløser hydrogenproduksjon i bergarter. Hovedingrediensen er vann, og teamet tester “enkle” materialer for katalysatorer som kan fremskynde reaksjonen og dermed øke mengden hydrogen som produseres, sier postdoktor Yifan Gao.

 

“Noen katalysatorer er svært kostbare og vanskelige å produsere, og krever komplisert produksjon eller forberedelse”, sier Gao. “En katalysator som er billig og finnes i store mengder, vil gjøre det mulig for oss å øke produksjonshastigheten – på den måten kan vi produsere hydrogenet med en økonomisk gjennomførbar hastighet, men også med et økonomisk gjennomførbart utbytte.”

 

De jernrike bergartene der den kjemiske reaksjonen skjer, finnes over hele USA og resten av verden. For å optimalisere reaksjonen på tvers av ulike geologiske sammensetninger og miljøer utvikler Abate og Gao det de kaller et “high-throughput”-system, som består av programvare for kunstig intelligens og robotteknologi, for å teste ulike katalysatorblandinger og simulere hva som skjer når de brukes på bergarter fra ulike regioner, med ulike ytre forhold som temperatur og trykk.

 

“Og ut fra dette måler vi hvor mye hydrogen vi produserer for hver mulige kombinasjon”, sier Abate. “Så vil AI-en lære av eksperimentene og foreslå for oss: ‘Basert på det jeg har lært og basert på litteraturen, foreslår jeg at dere tester denne sammensetningen av katalysatormateriale for denne bergarten’.”

 

Teamet er i gang med å skrive en artikkel om prosjektet og tar sikte på å publisere funnene i løpet av de kommende månedene.

 

De neste milepælene i prosjektet, etter at katalysatoroppskriften er utviklet, er å designe en reaktor som skal tjene to formål. For det første skal reaktoren, som er utstyrt med teknologier som Raman-spektroskopi, gjøre det mulig for forskerne å identifisere og optimalisere de kjemiske forholdene som fører til økt hastighet og utbytte i hydrogenproduksjonen. Enheten i laboratorieskala skal også brukes til å utvikle en reaktor som kan akselerere hydrogenproduksjonen i felt.

 

“Det vil være en reaktor i planteskala som kan implanteres i undergrunnen”, sier Abate.

 

Det tverrfaglige prosjektet benytter seg også av ekspertisen til Yang Shao-Horn fra MITs avdeling for maskinteknikk og DMSE, som skal utføre beregningsanalyser av katalysatoren, og Esteban Gazel, en forsker fra Cornell University, som skal bidra med sin ekspertise innen geologi og geokjemi. Han skal fokusere på å forstå de jernrike ultramafiske fjellformasjonene i USA og resten av verden og hvordan de reagerer med vann.

For Wicks ved ARPA-E er spørsmålene som Abate og de andre stipendmottakerne stiller, bare de første, kritiske skrittene på ukjent energiterritorium.

 

“Hvis vi kan forstå hvordan vi kan stimulere disse bergartene til å generere hydrogen og få det opp på en trygg måte, vil det virkelig frigjøre en potensiell energikilde”, sier han. Deretter vil den nye industrien vende seg til olje- og gassindustrien for å få kunnskap om boring, rørlegging og gassutvinning. “Som jeg pleier å si, dette er en muliggjørende teknologi som vi håper vil gjøre oss i stand til å si: ‘Er det virkelig noe der?'”