»Gennembrud«: Ny bæredygtig proces kan give verden langt mere mad

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.

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.

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.

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