»Gennembrud«: Ny bæredygtig proces kan give verden langt mere mad
Afrika producerer alt for lidt mad på grund af mangel på kunstgødning. En ny bæredygtig metode kan markant øge de afrikanske bønders høstudbytte.
Lithium_ammoniak_nitrogen_brint_gødning_landbrug_salt_fysik

Artiklens forfatter (til højre) og kollega Mattia Saccoccio vil revolutionere produktionen af gødning med en lille sort boks, som skal producere ammoniak direkte hos landmanden. Nu er de i gang med at skalere teknologien op. (Foto: DTU)

Artiklens forfatter (til højre) og kollega Mattia Saccoccio vil revolutionere produktionen af gødning med en lille sort boks, som skal producere ammoniak direkte hos landmanden. Nu er de i gang med at skalere teknologien op. (Foto: DTU)

Prisen på mad er eksploderet de seneste måneder. Invasionen af Ukraine har vist, hvor skrøbeligt et fundament vores madproduktion hviler på.

Men ét kontinent, Afrika, kan hjælpe både sig selv og resten af verden med det problem.

Det lyder måske ikke som det mest oplagte bud, når Afrika (bortset fra Australien og Antarktis) er det kontinent, der bidrager mindst til at mætte verdens munde.

For selvom Afrika besidder cirka 60 procent af klodens dyrkbare jord, er det store kontinent med den hastigt voksende befolkning faktisk ikke i stand til at producere mad nok til sig selv.

Hvorfor? Hvad forhindrer Afrika i at blive verdens største madproducent? Svaret er kort og simpelt: mangel på den rette kunstgødning.

Mine kollegaer og jeg forsker i at finde en måde, hvorpå de afrikanske landmænd kan fremstille deres egen kunstgødning. Og vi har fået et regulært gennembrud.

Fakta
Om Forskerzonen

Denne artikel er en del af Videnskab.dk’s Forskerzonen, hvor forskerne selv formidler deres forskning, viden og holdninger til et bredt publikum – med hjælp fra redaktionen.

Forskerzonen bliver udgivet takket være støtte fra vores partnere: Lundbeckfonden, Aalborg Universitet, Roskilde Universitet,  Syddansk Universitet & Region H.

Forskerzonens redaktion prioriterer indholdet og styrer de redaktionelle processer, uafhængigt af partnerne. Læs mere om Forskerzonens mål, visioner og retningslinjer her.

Drømmen om en ny og mere bæredygtig metode

Måden, man i dag producerer nitrogen-baseret gødning på, er via Haber-Bosch-metoden. Al verdens nitrogen-baseret kunstgødning bliver til via denne metode.

Desværre er det en energi-intensiv proces, der kræver høj temperatur og højt tryk, hvilket leder til store og dyre centrale faciliteter.

Selve processen kører på fossile brændstoffer og står for omkring 1,3 procent af vores globale CO2-emissioner.

Udviklingslande har ikke råd til at bygge disse store faciliteter og må derfor købe og transportere nitrogen-baseret gødning til mange gange den pris, som vi betaler herhjemme i Danmark. 

Et hold forskere på SurfCat (Surface Physics and Catalysis) og CatTheory (Center for Catalysis Theory) DTU Fysik, ledet af henholdsvis professor Ib Chorkendorff og Jens Nørskov, har arbejdet på at ændre dette i snart to årtier.

Drømmen har været at udvikle en metode, der udelukkende ved brug af elektricitet, luft og vand kan producere selvsamme nitrogen-baserede gødning.

Brugen af elektricitet betyder, at maskinen kan være meget mindre end de store, centrale anlæg, og at landmanden derfor kan have den stående lokalt på gården.

Maskinen vil kontinuerligt producere lige netop den mængde nitrogen-baserede gødning, som planterne skal bruge.

Maskinen ville endda med fordel kunne kobles op til vind- eller solenergi for at gøre processen fuldstændig bæredygtig.

Fra drøm til virkelighed

Jeg blev selv i sin tid fanget af denne store drøm, netop fordi forskningen havde mulighed for at hæve livskvaliteten for millioner, hvis ikke milliarder, af mennesker.

Hvis altså bare vi kunne få det til at virke i praksis.

Jeg begyndte derfor min ph.d. for fem år siden som den første fuldtidsansatte på dette meget risikofyldte projekt, der ikke havde givet resultater i over 15 år.

Men efter kun ét (meget udmattende) år fandt holdet og jeg den gyldne nål i høstakken: En metode til at splitte nitrogen – det sværeste trin i processen – ved brug af elektricitet.

Dette gennembrud blev publiceret i Nature, et af verdens førende tidsskrifter, og har siden hen ledt til to patenter, en publikation i Science (et andet af verdens førende tidsskrifter), og finansiering fra Villum og Innovationsfonden til at fortsætte forskningen.

Hvordan vi splittede nitrogen, kommer jeg til nu.

Litium hjælper os med at udvinde ammoniakken

Til kunstgødning har man brug for ammoniak, som man udvinder fra nitrogen.

Nitrogen har vi masser af, faktisk udgør nitrogen hele 78 procent af den atmosfæriske luft. Men det sidder i et meget stærk trippelbundet kemisk binding, som er svær at bryde.

Man kan dog bryde bindingen ved brug af litium, som er et meget reaktivt metal.

Vores nye metode anvender et litium-salt i en ikke-vandig opløsning, hvor saltet kan reduceres til litium metal og efterfølgende reagere med nitrogen.

Når først nitrogenmolekylet er splittet, kan det let omdannes til ammoniak ved hjælp af brint fra vand. Og ammoniak kan som nævnt bruges som nitrogen-baseret kunstgødning.

Lithium_ammoniak_nitrogen_brint_gødning_landbrug_salt_fysik

I figuren ser man, hvordan vi skaber ammoniak (NH₃) ved at reducere lithium-salt og derefter få litium-metal til at reagere med nitrogen, før vi tilsætter brint. (Figur: Jakob B. Pedersen)

Fra laboratoriet til kommercielt brug

Vi har i de seneste fire år arbejdet på at gøre processen mere effektiv og har nu opnået en såkaldt faradisk effektivitet på 95 procent og en strømtæthed på 0,1 A/cm2.

Det betyder helt lavpraktisk, at 95 procent af strømmen bliver brugt til at lave ammoniak, hvilket er nok til at begynde at tænke på kommercielt brug.

Med den store drøm om at ændre det afrikanske landbrug i baghovedet er mine kollegaer og jeg nu begyndt at tænke på at stifte egen virksomhed.

Til det formål har vi nu modtaget to bevillinger (DTU Discovery Grant og Spin-outs Denmark) til modning af DTU-udviklet teknologi til kommercielle anvendelser.

Vi har i laboratoriet påvist, at selve processen virker langt over forventning i en enkelt laboratorie celle, men alt rundt omkring maskinen skal stadig bygges.

Lithium_ammoniak_nitrogen_brint_gødning_landbrug_salt_fysik

Den nuværende laboratoriecelle, der skal opskaleres til en prototype. (Foto: Jakob B. Pedersen)

Danske og afrikanske bønder klar til at teste kommende prototype

Hvis vi kan få systemet opskaleret og til at virke lige så godt som vores nuværende forskning i laboratoriet, kan maskinen klart kommercialiseres og sælges globalt.

Dette ville betyde, at afrikanske (og andre) bønder fremover ville kunne producere deres egen nitrogen-baserede gødning hjemme på gården eller i drivhuset.

Vores mål er at have en prototype klar om cirka 1,5 år.

Vi har allerede haft kontakt med forskellige landmænd i både Danmark og distributører i forskellige lande i Afrika, der gerne vil teste maskinen under reelle forhold ude på marken.

Det ville ikke alene give dem adgang til langt billigere og mere tilgængelig gødning.

Det ville også sikre dem selvstændighed og kontrol over leveringskæden, som de på nuværende tidspunkt mangler.

Øget brug af nitrogen-baseret kunstgødning (fra de nuværende cirka 15 kg nitrogen per hektar til f.eks. 50-75 kg N/ha, som er tættere på den globale middel) kan lede til en markant stigning på op til 2-3 gange af deres fødevareproduktion.

Dermed kan Afrika – forhåbentlig – snart brødføde både sig selv og sende mad til resten af verden.

Suzanne Zamany Andersen modtog i 2021 H. C. Ørsteds forskertalentpris for sin forskning i ammoniak. Videnskab.dk har skrevet om hendes forskning i artiklen: Produktion af gødning er en klimasynder: Nu er 29-årige Suzanne på vej med en løsning

Red Verden med Videnskab.dk

I en konstruktiv serie ser Videnskab.dk nærmere på, hvordan mennesket kan redde verden.

Vi tager fat på en lang række emner – fra atomkraft og indsatser for at redde dyrene til, om det giver bedst mening bare at spise mindre kød.

Hvad siger videnskaben? Hvad kan man selv gøre hjemme fra sofaen for at gøre en forskel?

Du kan få mange gode tips og råd i vores Facebook-gruppe, hvor du også kan være med i overvejelser om artikler eller debattere måder at redde verden på.

Alle må bruge og viderebringe Forskerzonens artikler

På Forskerzonen skriver forskere selv om deres forskning. Vi mener, det er vigtigt, at alle får mulighed for at læse om forskning fra forskerens egen hånd.

Alle må derfor bruge, kopiere og viderebringe Forskerzonens artikler udfra følgende enkle krav:

  • Det skal krediteres: 'Artiklen er oprindelig bragt på Videnskab.dk’s Forskerzonen, hvor forskerne selv formidler'. Hvis artiklen bringes på web, skal der linkes til artiklen på Forskerzonen.
  • Artiklen må ikke redigeres og skal bringes i fuld længde (medmindre andet aftales med forskeren).
  • Du skal give forskeren besked om, at du genpublicerer.
  • Artikler, som er oversat fra The Conversation, skal have indsat en HTML-kode til indsamling af statistik i bunden. HTML-koden finder du i den originale artikel på The Conversations hjemmeside ved at klikke på knappen "Republish this article" ude til højre, derefter klikke på 'Advanced' og kopiere koden. Du finder linket til artiklen på The Conversation i bunden af Forskerzonens oversatte artikel. 

Det er ikke et krav, men vi sætter pris på, at du giver os besked, hvis du publicerer vores indhold (undtaget indhold fra The Conversation). Skriv til redaktør Anders Høeg Lammers på ahl@videnskab.dk.

Læs mere om Forskerzonen i Forskerzonens redaktionelle retningslinjer.

DOI - Digital Object Identifier

Artikler, produceret til Forskerzonen, får tildelt et DOI-nummer, som er et 'online fingeraftryk', der sikrer, at artiklerne altid kan findes, tilgås og citeres. Generelt får forskningsdata og andre forskningsobjekter typisk DOI-numre.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's videojournalister med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.

Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs om de utrolige billeder af Jupiter her.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Hej! Vi vil gerne fortælle dig lidt om os selv

Nu hvor du er nået helt herned på vores hjemmeside, er det vist på tide, at vi introducerer os.

Vi hedder Videnskab.dk, kom til verden i 2008 og er siden vokset til at blive Danmarks største videnskabsmedie med over en halv million brugere om måneden.

Vores uafhængige redaktion leverer dagligt gratis forskningsnyheder og andet prisvindende indhold, der med solidt afsæt i videnskabens verden forsøger at give dig aha-oplevelser og væbne dig mod misinformation.

Vores journalister fortæller historier om både kultur, astronomi, sundhed, klima, filosofi og al anden god videnskab indimellem - i form af artikler, podcasts, YouTube-videoer og indhold på sociale medier.

Vi stiller meget høje krav til, hvordan vi finder og laver vores historier. Vi har lavet et manifest med gode råd til at finde troværdig information, og vi modtog i 2021 en fornem pris for vores guide til god, kritisk videnskabsjournalistik.

Vores redaktion gør en dyd ud af at få uafhængige forskere til at bedømme betydningen af nye studier, og alle interviewede forskere citat- og faktatjekker vores artikler før publicering.

Hvis du går rundt og undrer dig over stort eller småt, vil vi elske at høre fra dig og forsøge at give dig svar med forskernes hjælp. Send bare dit spørgsmål til vores brevkasse Spørg Videnskaben.

Vi håber, at du vil følge med i forskningens forunderlige opdagelser her på Videnskab.dk.

Få et af vores gratis nyhedsbreve sendt til din indbakke. Du kan også følge os på sociale medier: Facebook, Twitter, Instagram, YouTube eller LinkedIn.

Med venlig hilsen

Videnskab.dk