Knust grått metallpulver ligger i en haug på en blå "marmoraktig" flate
Slik ser rent silisium ut – en viktig byggestein, ikke bare i solceller, men også i mobiltelefoner, kjøkkenredskaper, elbiler og stål. Foto: Elkem

Vi er storforbrukere av silisium. Nå er vi kanskje på sporet av en produksjonsmåte uten CO2-utslipp

Silisium er byggestein i alt fra solceller til stål – og umulig å produsere uten CO2-utslipp ifølge lærebøkene. Forhåpentligvis tar de feil.

Silisium trengs i massevis av hverdagsprodukter. Solceller, mobiltelefoner, elbiler, stål og kjøkkenredskap, for å nevne noen. Materialet utvinnes fra mineralet kvarts ved at to «bestevenner» rives fra hverandre: grunnstoffene silisium og oksygen.

Vennskapsbåndene brytes ved at smelteverk tilbyr oksygenet en kul ny kompis: grunnstoffet karbon. Tradisjonelt skjer dette ved at kull mates inn i smelteovnen sammen med kvartsen.

Ut kommer da nyttig silisium. Pluss en strøm av oksygen- og karbonatomer, sammenlenket til klimagassen CO2. Men drømmen vi materialforskere bærer på, er å få oksygenet til å leke med hydrogenmolekyler i stedet. Da vil avgassen bli harmløs vanndamp – og silisiumproduksjonen bli CO2-fri.

Norge produserer fem prosent av verdens silisium

Det meste av silisiumet verden trenger, lages i Kina. Norge står for hele fem prosent av den globale produksjonen. Dette skjer i smelteverkene til Elkem og Wacker. Pluss hos Finnfjord, et av verdens største ferrosilisiumverk.

Silisium er det stoffet jordskorpen har nest mest av. Her er det bundet til lekekameraten oksygen. Sammen danner de forbindelsen SiO2: kvarts på godt norsk.

Grafisk figur - snittbilde gjennom smelteovn for silisium

Slik produseres silisium i dag – med CO2-utslipp: Smelteovner får silisium- og oksygenatomene i kvarts til å skille lag – og får oksygenatomene til å binde seg til karbonatomene i tilført kull i stedet. Produktet blir rent silisium. Avgassen blir klimagassen CO2. Illustrasjon: Knut Gangåssæter / SINTEF

Hvem leker med hvem?

Når silisium skal brukes til solceller, telefoner og elbiler, må oksygenet bort. Smelteverk river det ut av silisiumets favntak. Men oksygenmolekyler er kontaktsøkende. Uten karbon til stede, hadde de dratt tilbake til de gamle vennene. Da ville vi vært like langt.

Karbon er imidlertid en forlokkende erstatter som oksygenet gjerne slår følge med, når forholdene legges til rette. Men dette har en kostnad for klimaet, siden venneparet blir til CO2.

Vi som nå prøver å kutte dette utslippet, har det litt som førskolelærere. Ser du for deg smelteovnen vår som en barnehage, har vi sendt karbonet hjem – og gitt barnehageplassene til hydrogenatomer i stedet. Naturens minste byggeklosser.

Håpet er at disse skal storme inn og lokke til seg hele den selskapssyke oksygenfamilien.

Det er bare én hake: «Læreboken» sier det ikke vil gå. Men vi har langt fra gitt opp.

Grafikk som viser snittbilde gjennom neste mulige generasjon produksjonsanlegg for silisium.

Slik kan silisium produseres utslippsfritt i fremtiden: Om forskerne lykkes, kan fremtidens silisiumproduksjon foregå i to trinn. I tillegg til råstoffet kvarts vil det nå bli tilført hydrogengass i stedet for kull. Ut kommer fortsatt silisium. Avgassen er ikke lenger CO2, men uskyldig vanndamp. Illustrasjon: Knut Gangåssæter / SINTEF

Inspirert av tidligere oppdagelser

Optimismen vår skyldes at det tok nær 50 år fra silisiumproduksjon startet opp tidlig på 1900-tallet, til metallurgene forsto prosessen. Forbløffet så de at nesten all kvarts i ovnen – og ikke kun en liten del – ble til silisium.

Effektive silisiumverk ville vært ikke-eksisterende, om ikke forgjengerne våre hadde prøvd på noe som ifølge deres teorier ikke skulle virke. Det er inspirert av dette at vi og metallurger i andre land har kastet oss over hydrogenatomene.

Parallelt forsker mange av oss på bruk av biologisk karbon fra trær, som en klimanøytral mellomløsning for silisiumovner. Men kampen om bioråstoff fra skogen blir hard. Det er derfor vi håper hydrogenatomene skal klare brasene.

Slik vil vi gjøre det

I kvarts henger silisium- og oksygenatomene sammen som erteris. Helt til de skyfles inn i ovnen – altså «barnehagen».

Hydrogenatomene, på sin side, har til nå stått beskjedne utenfor gjerdet.

Skal vi få dem til å leke med oksygenet, må barnehagen restruktureres. Vår ide er å gi den to avdelinger: dele prosessen i to trinn. Den ene avdelingen vil alltid være fylt med kvarts (SiO2). Hit må vi i tillegg skyve inn noe ferdiglagd silisium. Det vi da kan få til, er at silisium og oksygen går sammen og blir til den ustabile gassen SiO.

På naboavdelingen «vil vi skrive inn» hydrogenmolekylene. Tvinge dem inn i form av hydrogengass. Blir betingelsene riktige, vil de dra oksygenet ut av den ustabile SiO-gassen og danne vann (H2O). Pluss etterlate seg frigjort, rent silisium.

Skal prosessen fungere, må trinn én foregå ved høy varme, og trinn to ved lavere temperatur. Utfordringen, som mange har kalt uoverstigelig, er at SiO-gass lett kondenserer i overgangen fra høy til lav temperatur. Akkurat slik fuktig luft blir til rim på vinduer når det er kaldt. Skjer dette, stanser prosessen.

Har laget ny laboratorieovn

I et pågående forskerprosjekt ), finansiert av Forskningsrådet, er vi gang med å dele prosessen i to etter den nevnte idealmalen. For dette formålet har Sintef utviklet en ny labovn med to soner. Her kan vi studere hva som skjer i silisiumets «to-avdelingsbarnehage».

Skulle vi eller andre lykkes i å bytte ut karbon med hydrogen ved produksjon av silisium, kan nye smelteverk bygges slik at verden får glede av kunnskapen.

Alt før Ukraina-krigen brøt ut hadde prisen på silisium steget, grunnet etterspørselspress. Høy pris kan gi rom for bygging av nye anlegg. Dermed er det slett ikke umulig at CO2-fritt silisium brått er her en dag, selv om mange har spådd at det ikke vil gå.

Artikkelen ble første gang publisert på Forskning.no 2. juni 2022 og gjengis her med tillatelse derfra.