Viten

Vi må kopiere vidundermaskinene i naturen

Noen mikroskopiske bakterier har «motorer» som kan konkurrere med enhver Formel 1-bil. Hvis vi kopierer dem, kan vi løse verdens energiutfordringer.

«Halen» til denne bakterien har en motor, kalt flagelle, og er et av naturens egne vidundre vi menneskene bør vie mer oppmerksomhet til, ifølge artikkelforfatteren. Foto: Shutterstock/NTB scanpix

  • Jonas Kristiansen Nøland
    Førsteamanuensis, Høgskolen i Sørøst-Norge
Viten er Aftenpostens satsing på forskning og vitenskap, der forskere og fagfolk fra hele landet bidrar med artikler.

Den moderne energirevolusjonen startet som kjent med oppfinnelsen av elektriske motorer og generatorer i det 19. århundre, og har fortsatt videre i dag som et resultat av økende befolkning og energi- og miljøutfordringer.

Hvordan kan vi imøtekomme klodens største utfordringer med nye innfallsvinkler? Har naturen noe svar?

Jonas Kristiansen Nøland er førsteamanuensis ved Institutt for mikrosystemer, Høgskolen i Sørøst-Norge. Foto: Privat

Biologiske innovasjoner på nanonivå

I alle tidsaldre har vi lett etter de svarene naturen kan gi oss, og blitt inspirert av den til å gjøre nye oppfinnelser. Med dagens teknologi har vi nå for første gang muligheten til å dykke dypere enn tidligere.

Med begrepet nano snakker vi om ting som er veldig små, kun en milliontedel av en millimeter. Det er i disse størrelsene vi finner biologiske innovasjoner på mange relevante komplekse problemer, derav blant annet optimal energihøsting og effektiv energiomforming som tar hensyn til både liv og miljø.

Flagellen, en urgammel oppfinnelse

Lenge før vi mennesker fant opp hjulet, kløtsjen eller roterende maskiner, hadde spesielle mikroorganismer utenfor vårt «blotte øye» allerede utrustet seg med sitt eget høyeffektive maskineri. Et av de beste eksemplene på dette er bakteriens flagelle, en roterende «pisk» forankret ut fra cellens kropp. Denne gir blant annet mobilitet, hjelper mikroorganismer å komme dit de skal og den benyttes til å lete etter mat.

Høyeffektivt maskineri

Vi vet i dag mye om flagellens struktur takket være mikroskopet. Likevel er dens lave energiforbruk fortsatt et mysterium. Forskere er i dag samstemte om at nanomotoren har en effektivitet som praktisk talt er lik 100 prosent. Til sammenligning er verdensrekorden i virkningsgrad for menneskelagde elektromotorer på 99.05 prosent, som ble dokumentert av den svensk-sveitsiske industrigiganten ABB i 2017.

Senker vi størrelsene på våre menneskeskapte maskiner, faller energieffektiviteten betraktelig. Industrielle standarder for de minste motorene ligger på mellom 50–70 prosent. Det er derfor noe fundamentalt annerledes som skjer på nanonivå. Likevel er flagellen veldig lik moderne elektriske maskiner i sin oppbygning, inkludert stator, rotor, lager og drivaksling.

Mekanisk lik menneskeskapte motorer

Flagellemotorens roterende adferd som respons til ytre mekanisk belastning er også veldig lik de motorene vi selv har bygget. Dens ytelse oppnås av en roterende disk bestående av 26 proteiner som reagerer med 11 ytre ionekanaler. Hvert ion som flyter inn i den ytre ringen får disken til å forflytte seg ett hakk av gangen, som et elektromekanisk tannhjul. Nanomotoren roterer med en hastighet på opptil 2000 omdreininger pr. sekund og rivaliserer med dette en hvilken som helst Formel 1-bil.

Det største paradokset er at den nesten ikke forbruker drivstoff. Det den bruker tilsvarer ti kvadrilliondeler av en watt. I tillegg, kan den reversere sin dreieretning i løpet av kun en kvart omdreining. Dette er nærmest umulig i menneskelagde fremdriftssystemer.

Flagellens oppbygging er svært lik menneskeskapte motorer. Vi bør se mer mot naturen og dens løsninger, mener artikkelforfatteren.

Ukjente prinsipper

Mekanismene bak flagellens protondrevne kraft er pr. dags dato en gåte. Grunnleggende forståelse rundt nanomaskinenes underliggende prinsipper kan hjelpe oss å oppnå drømmen om det «ideelle energiomformingssystem».

Mange forskere har derfor latt seg inspirere av naturens innovasjoner på energisiden og dette forklarer hvorfor flagellen til nå er en av de mest velstuderte molekylære maskiner. Ved å studere flagellen lærer forskere hvordan høyeffektive motorer på nanonivå fabrikkeres.

Les også

Lyst til å ta heisen til verdensrommet? Da trenger vi nanoteknologi

Vi er ennå kun på begynnerstadiet. Fokuset har til nå vært å formulere enkle matematiske ligninger for å forutse flagellens oppførsel. Steget imot en fullstendig modell som kan forklare alle dens interne prosesser ville innebære simulering med en superdatamaskin.

Nanomotorens neglisjerbare energiforbruk står i sterk kontrast til det faktum at vi må forbruke megawatt av energi for å kunne simulere den på en dataskjerm. Det som foregår i biologiske systemer er fortsatt så ubegripelig, at selv dagens datamaskiner sliter med å vise det frem.

Innovativt forskningsområde

De imponerende innovasjonene vi er vitne til i naturen blir nå i sterk grad tatt hånd om i forskningsområdene «bionics» og «biomimetics». Disse formene for anvendt forskning har sin bakgrunn fra 1950-tallet.

Her bruker spesialister med ingeniørbakgrunn såkalt «omvendt ingeniørkunst» på biologiske systemer i håp om mulige gjennombrudd.

Det gjenstår å se om vi gjennom denne metodikken kan bli i stand til å forstå alle de kunstverk naturen rommer, men implikasjonene ser hittil lovende ut.

Hvis vi klarer å kopiere de små vidundermaskinene i naturen vil vi lære hvordan de mest kompakte og energigjerrige systemer kan bygges.

Vi vil da kunne utvide mulighetene for økt energieffektivitet i våre egne motordrevne systemer.

Med dagens praksis anslås det at vi maksimalt kan redusere det globale elektrisitetsforbruket med om lag en tiendedel gjennom økt effektivisering av motorer.

Med ny innsikt i naturens egne vidundre har vi nå håp om å sprenge grensene for hva som er realistisk mulig å oppnå.

Det er nettopp dette som trigger motivasjonen til de mange som vil være med å bidra til fremtidens løsninger.

Følg Aftenposten Viten på Facebook og Twitter!

Les mer om

  1. Viten
  2. Energi
  3. Teknologi
  4. Nanoteknologi
  5. Energiforbruk
  6. Natur

Relevante artikler

  1. VITEN

    Vi stjeler naturens ingeniørkunst

  2. VITEN

    Veien fra pommes frites til kur for hårtap ble litt for kort

  3. VITEN

    Damenes planet – takket være insektene

  4. VITEN

    Islamister ble motvillige feminister etter at kvinnene fikk stemmerett

  5. VITEN

    Håp for ny tuberkulosevaksine i form av nesespray

  6. VITEN

    På tide å stoppe tvilsomme og idiotiske patenter