Enerji Bakanlığı’na bağlı Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndaki bilim insanları, bitki seçeneği olan bir madde olan nanoselülozu işlemek için yeni bir yöntem özelliği. Bu yöntemde enerji tüketimi %21 oranında azalıyor. Moleküler simülasyonlar laboratuvar süper bilgisayarlarında test analizleri yapıldı.
Bu yöntem, nanoselüloz liflerinin üretim maliyetlerinin ölçüsünde önemli oranda düşürebilir. Güçlü ve hafif yapısıyla öne çıkan bu biyomalzeme , dayanıklı konutlar ve araç montajları gibi 3D baskı yapıları için idealdir. Üretim sürecinde sodyum hidroksit ve üre içeren bir çözücü kullanılır. Bu yaklaşım, petrol bazlı malzemelerin yerini alarak ve biyobozunur sınıflarını artırarak ekonominin karbonsuzlaştırılmasına katkı sağlar, böylece attıkları azaltan bir döngüsel biyoekonomiyi sağlar.
Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı (ORNL), Tennessee Üniversitesi Knoxville ve Maine Üniversitesi Süreç Geliştirme Merkezi ile işbirliği yaparak, oldukça arzulanan bir malzeme daha verimli bir şekilde hizmet vermek için bir proje yürütüyor. Bu malzeme, bitki hücre duvarlarında bulunan ve çelikten sekiz kat daha güçlü olan doğal bir polimer türü olan nanoselülozdur.
Bilim insanı, geleneksel olarak enerji yoğun ve yüksek seviyede yetenekli bir mekanik işlem olan su bazlı hamur ortamlarında selülozun nanofibrillerden ayrılmasını sağlayan daha verimli bir fibrilasyon keşfederler. Araştırmacılar, selülozu daha iyi ön işleme tabi tutmak için hangi çözücünün en etkili olduğunu belirlemek amacıyla sekiz farklı seçenekte test yaptılar. Çözücüler ve selüloz İçindeki moleküllerin ve atomların hareketlerini ve iletişimlerini taklit eden bilgisayar modellerini kullandılar. Bu simülasyon yöntemi yaklaşık 0,6 milyon atomu simüle ederek, bilim insanlarına laboratuvarda uzun süren fiziksel parçalar olmadan karmaşık süreci anlamalarını sağlar.
UT-ORNL Moleküler Biyofizik Merkezi (CMB) ve ORNL Kimyasal Bilimler Bölümü tarafından kapatma işlemleri, dünyanın en hızlı açık bilim süper bilgisayarı olan Frontier Eksaskal bilgisayar işlemleri çalıştı. ORNL’deki DOE Bilim Ofisi kullanıcı üyesi olan Oak Ridge Liderlik Hesaplama Tesisinin bir parçası olan Frontier, bu bilgisayarın bir parçasıdır.
Proje lideri, CMB çift ve UT-ORNL Valisi Başkanı Jeremy Smith “Bu simülasyonlar, her bir atomu ve aralarındaki güçleri inceleyerek, bir süreçte sadece işe yaramadığı değil, tam olarak neden işe yaradığını da ayrıntılı bir şekilde anlamamıza olanak sağlıyor.” dedi.
Çözücü ön hesaplama, yalnızca su kullanım karşılaştırması %21 daha fazla enerji tasarrufu göstergesi pilot seçeneklerin testlerini gösterir, en iyi çözünme belirlendikten sonra faaliyete geçilir. Bu başlangıç, Ulusal Bilimler Akademisi’nin “Proceedings of the National Academy of Sciences” (PNAS) adıyla yayımlandı.
Araştırmacılar, uygun çözücü sistemli selüloz nanofibriller (CNF) üretmenin ton başına yaklaşık 777 kilovat saat elektrik tasarrufu sağlayacağını tahmin ettiler. Bu, yaklaşık bir evin aylık enerji tüketimine göre değişiyor. Maine Üniversitesi ve ORNL’deki DOE Bilim Ofisi kullanıcı ürünü olan Nanofaz Malzemeleri Bilim Merkezi’nde yapılan testlerde, üretilen elyafların geleneksel olarak üretilen CNF’lerle mekanik olarak çalıştırılması ve diğer istenen özelliklerin bakış açısı benzerlik gösterdiği gösterilmiştir.
ORNL Karbon ve Kompozitler Grubu’ndan Monojoy Goswami, “Nanoselülozik liflerin kaydettiği en fazla enerji tüketen aşamada olan ayırma ve kurutma işlemini hedefledi. Bu, esnek işlemler ve Frontier’deki yüksek oranlı programlarımız sayesinde, deneme yanılma yöntemleriyle yıllar boyunca mümkün olan bir hızlı bir şekilde parçalanmayı kolaylaştırdı” dedi.
Doğru malzeme seçimi ve üretim süreci
ORNL Sürdürülebilir Üretim Teknolojileri Grubu lideri Soydan Özcan, “ORNL’deki programlamalı, malzeme bilimi ve üretim uzmanlığımızı ve nanobilim araçlarımızı Maine Üniversitesi’nin orman ürünleriyle ilgili bilgileriyle birleştirdiğimizde, bilimdeki karşılaştırmaları çözmek için daha hedeflenmiş çözümler geliştirebiliyoruz.” dedi.
Proje, DOE Enerji Verimliliği ve Yenilenebilir Enerji Ofisi’nin Gelişmiş Malzemeler ve Üretim Teknolojileri Ofisi (AMMTO) ile ORNL ve Maine Üniversitesi’nin iş birliği olan Hub & Spoke Sürdürülebilir Malzemeler ve Üretim İttifakı Yenilenebilir Teknolojiler Programı (SM2ART) tarafından desteklenmektedir.”
“SM2ART programı, sürdürülebilir ve karbon depolayan biyomalzemelerin şirketi, evlerden gemilere, otomobillerden rüzgar türbini parçaları gibi temiz enerji seçeneklerine kadar her şeyin inşa edilebilir bir altyapı altyapısına odaklanıyor.” dedi Özcan.
Smith, “3D yazıcılar için güçlü, uygun destek ve nötr karbon özellikleri üretimi, konutta bozulma gibi sorunlar konusunda bize avantaj sağlıyor.” diye ekledi.
Bilim insanların, geleneksel bir ev inşa etmelerinin genellikle altı ay sürdüğünü belirtti. Ancak doğru malzeme karışımı ve eklemeli üretim ile sürdürülebilir modüler yapı elemanlarının parçalarının ve montajı yalnızca bir veya iki gün içinde tamamlanır.
Ekibin, nanoselüloz üretimini daha uygun hale getirmek için yeni kurutma parçaları da dahil olmak üzere ek veri bölümlerinin devam ettiği belirtiliyor. İlerleyen araştırmaları, simülasyonları kullanarak gelişmiş üretim sistemlerinde kullanılmak üzere nanoselüloz ve diğer polimerlerin en iyi incelemelerini tahmin etmeyi hedefliyor. Bu sistemler, DOE’nin ORNL’deki Üretim Gösterim Tesisi (MDF) tarafından geliştirilmekte ve iyileştirilmektedir. AMMTO tarafından elde edilen MDF, ORNL ile iş birliği içinde ABD imalat sektöründe yenilik ve izlenebilmeyi amaçlayan ulusal bir konsorsiyumdur.
Çözücüler projesindeki diğer bilim insanları arasında UT-ORNL Moleküler Biyofizik Merkezi’nden Shih-Hsien Liu, Shalini Rukmani, Mohan Mood, Yan Yu ve Derya Vural; ORNL’den Katie Copenhaver, Meghan Lamm, Kai Li ve Jihua Chen; Maine Üniversitesi’nden Donna Johnson; Tennessee Üniversitesi’nden Michelas Smith; şu anda Schrödinger’de bulunan Loukas Petridis ve şu anda PlantSwitch’te çalışan Samarthya Bhagia yer alıyor.
UT-Battelle, ORNL’yi ABD Enerji Bakanlığı’nın (DOE) Bilim Ofisi adına yönetmektedir. Bilim Ofisi, Amerika Birleşik Devletleri’ndeki fiziksel bilimler alanındaki temel araştırmaların ve büyük destekçisidir. Bilim Ofisi, günümüzün acil sorunlarından kurtulmak için zenginleştirir.
Kaynaklar:
1. https://www.ornl.gov/news/molecular-simulations-supercomputing-lead-energy-tained-biomaterials
2. https://www.energy.gov/science/office-science
Haberi Derleyen: Selin Karavul – Çukurova Üniversitesi Fizik Bölümü Öğrencisi
