Virgil Andrei, inventatorul frunzei artificiale, o tehnologie ce va revoluționa piața energiei verzi

Frunze artificiale care imită fotosinteza naturală și generează energie nepoluantă din lumină și apă. O invenție ce revoluționează tehnologia combustibililor solari și care poartă semnătura unui român: Virgil Andrei.

Articolul publicat în urmă cu un an de prestigioasa revistă Nature a suscitat deja interesul întregii comunități științifice internaționale și nu numai. Și asta deoarece, în următorii 5-10 ani, sistemul ar putea fi folosit la scară largă, iar peste încă 10 ar putea deveni o reală alternativă pentru combustibilii fosili.

Virgil Andrei este ferm convins că viitorul va dovedi asta, știe că mai sunt pași de urmat, fonduri de atras, dar încrederea sa are un fundament solid: după etapele parcurse, invenția îndeplinește niște atribute cheie, care deja confirmă că tehnologia este viabilă și poate avea un impact semnificativ în domeniul și pe piața energiei verzi. Dincolo însă de toate reușitele tehnice și validarea comunității științifice, pentru publicul larg, trei sunt foarte importante. În primul rând, noua frunză artificială poate să funcţioneze eficient şi în zilele în care cerul este înnorat, deci invenția poate fi folosită oriunde, oricând, inclusiv în comunitățile izolate. Apoi, panourile solare pot fi asamblate sub forma unor ferme plutitoare, care nu ocupă teren arabil sau suprafețe de locuit. În plus, aceste frunze plutitoare ar putea deveni rentabile, tehnologia reducând semnificativ costurile de producție și distribuție a energiei regenerabile.

Dar cine este Virgil Andrei?

Studiile de licență și masterat le-a absolvit în Germania, la Humboldt-Universität zu Berlin, profil chimie, axându-se pe dezvoltarea materialelor termoelectrice flexibile, care transformă diferențele de căldură în electricitate. Pasionat de domeniul energiei regenerabile, în 2016 a schimbat țara și și-a început doctoratul la Cambridge, îndreptându-și atenția spre tehnologiile care produc electricitate sau combustibili solari. Din 2020, este cercetător la Colegiul St. John’s din cadrul prestigioasei universități, unde, împreună cu colegii săi se concentrează pe dezvoltarea frunzelor artificiale către  aplicații comerciale la scară largă.

În plină criză energetică, dar și în contextul schimbărilor climatice care de la an la an au un impact tot mai evident asupra planetei și consecințe asupra vieții noastre de zi cu zi, ce oportunități noi deschide această invenție, ce provocări tehnice ori de integrare în rețea mai are de depășit, ce impact social, economic și de mediu ar putea avea? Punct cu punct, face lumină în subiect dr. Virgil Andrei, invitatul meu în rubrica Work Life Choices, interviuri speciale cu oameni speciali, un proiect susținut de ASCENDIS și Revista CARIERE.

Evident, nu am uitat ca, la final, să închid ușa laboratorului și, din fața ei, să încerc să-l cunosc și pe omul din spatele acestei munci titanice. Din discuția de pe hol, atât vă spun acum: cele mai năstrușnice idei din copilărie au fost să devină pilot de Formula 1 sau DJ.

Când, unde și în ce împrejurări a încolțit această idee de frunză artificială? Ce scop/sens i-ați atribuit inițial?

Ideea frunzei artificiale a apărut prima dată în America în jurul anului 2010. Aceste frunze artificiale sunt panouri solare care folosesc lumina pentru a produce combustibili verzi, de exemplu hidrogen sau gaz de sinteză, din molecule simple, cum ar fi apa și dioxidul de carbon. Aceste frunze pot fi compuse dintr-o combinație largă de absorbatori de lumină și catalizatori pentru anumite reacții chimice. Inițial, această tehnologie s-a bazat pe silicon, însă aceste dispozitive nu puteau fi folosite decât la o scară redusă pentru a produce hidrogen și oxigen din apă.

Care este tehnologia din spatele ei? În ce context frunza a devenit parte a unui dispozitiv complex de producere a energiei? Odată integrată în proiect, a avut nevoie de adaptări/ reconfigurări?

Noi am dezvoltat frunze artificiale care folosesc doi semiconductori moderni, vanadat de bismut și perovskit. De-a lungul timpului, am demonstrat că această combinație ne permite să producem combustibili utili pe bază de carbon. De curând, am arătat că această tehnologie poate fi aplicată la o scară mai largă. Pentru asta, am dezvoltat o modalitate de a depune straturile active pe folii de plastic și metal. În acest mod, putem produce panouri flexibile care sunt mult mai subțiri, ceea ce înseamnă că în principiu putem reduce costurile de operare semnificativ. Aceste panouri sunt foarte ușoare și pot pluti pe suprafața apei ca frunzele de lotus.

De ce această tehnologie este considerată revoluționară?

Această tehnologie are mai multe avantaje. Pe de o parte, frunzele artificiale pot produce combustibili chimici, care au o densitate de energie foarte ridicată. Asta înseamnă că nu avem nevoie de baterii voluminoase pentru a stoca electricitatea produsă de panouri solare în timpul zilei. Pe de altă parte, panourile plutitoare sunt robuste, pot fi transportate ușor, nu ocupă teren arabil, și pot produce energie verde pentru comunități izolate.

În ce stadiu este proiectul? Care este exact rolul dvs în acest proiect? Pe ce vă concentrați atenția în acest moment?

Activitatea mea actuală se axează pe dezvoltarea acestei tehnologii la o scară mai largă. Asta implică inovație la nivel de materiale, dispozitiv și reactor. În momentul de față, suntem limitați de instrumentele disponibile în cadrul universității, astfel încât aplic pentru alte surse de finanțare care ne vor permite să construim panouri solare de peste un metru pătrat. Pentru acest scop, luăm în calcul aparatură robotică modernă, care ne-ar ajuta să testăm o gamă largă de materiale într-un timp scurt.

Care va fi pasul următor și când estimați că îl veți face?

Cu echipamente moderne, am putea sa dezvoltăm aceste sisteme la un nivel comercial în următorii 5-10 ani.

Cum va arăta la final acest sistem capabil să producă energie regenerabilă și care va fi/ar trebui să fie destinația lui practică?

În final, ne dorim să asamblăm ferme solare plutitoare, care sa producă hidrogen sau combustibili pe bază de carbon pe suprafețe de zeci de metri pătrați. Aceste platforme modulare vor fi compuse din panouri de 1 m². Combustibilii gazoși se vor acumula în reactoare gonflabile și vor fi colectați odată la câteva zile.

Sunt două probleme majore cu care omenirea se confruntă la acest moment: epuizarea resurselor și încălzirea globală, pentru ambele, soluția salvatoare fiind energia din surse regenerabile. Care este plusvaloarea pe care invenția dvs/tehnologia o aduce în industria energetică? În contextul crizei energetice, ce beneficii va aduce omenirii și planetei?

Cum spuneam mai devreme, sistemele energetice actuale depind în mare parte de combustibilii fosili, care sunt esențiali pentru transportul greu. De aceea, camioanele, vasele de transport sau avioanele nu pot circula pe bază de baterii. Tehnologia noastră ne va permite să producem acești combustibili direct, din resurse naturale cum ar fi apă sau dioxidul de carbon din atmosfera. În acest mod, nu va trebui să modificăm infrastructură actuală pentru transportul și stocarea energiei.

Din zona de energie verde, în piața de profil, energia eoliană și solară își fac deja simțite prezența – în 2022, au acoperit 12% din energia globală. Însă, în ciuda tuturor eforturilor, progresul este destul de lent. În special, din cauza costurilor ridicate de cercetare și producere și, mai explică unii cercetători, și a calității termodinamice a surselor regenerabile. Din acest punct de vedere cum apreciați că va fi tehnologia dvs atunci când va putea fi folosită/replicată la scară largă?

Majoritatea planetei noastre este acoperită de apă. De aceea, fermele plutitoare ar putea fi folosite la scară largă, fără a ocupă teren arabil sau suprafețe de locuit. În plus, tehnologia noastră ar putea reduce semnificativ costurile de producție și distribuire a energiei regenerabile. În acest mod, frunzele plutitoare ar putea deveni rentabile, în ciuda eficienței mai reduse față de panourile solare obișnuite.

În obiectivul ”zero emisii”, ce impact ar putea avea?

Unul dintre obiectivele principale ale tehnologiilor noastre este producerea de combustibili verzi, care să contribuie la o economie circulară, de zero emisii nete. Noi sperăm că frunzele artificiale vor putea funcționa asemănător plantelor reale, folosind apă și dioxidul de carbon din atmosfera pentru a produce combustibili lichizi pe baza de carbon, cum ar fi etanolul. Acești combustibili pot fi folosiți direct în motoarele actuale. În acest mod, nivelul de dioxid de carbon din atmosfera va rămâne constant.

Ca orizont de timp, când apreciați că vom putea scrie: ”energia obținută prin invenția cercetătorului Virgil Andrei își face deja simțită prezența pe piața de profil”?

Cum spuneam, în momentul de față noi încă dezvoltăm aceste tehnologii. Frunzele artificiale vor trebui să fie produse pe o scară de metri pătrați și vor trebui să mențină un anumit nivel de performanță timp de mai mulți ani, înainte de a intra pe piață. Cu instrumente specializate și o echipă lărgită, am putea să abordăm niște piețe de nișă în următorii 5-10 ani. Pentru a contribui pe piață largă a energiei verzi, am mai avea nevoie de măcar încă un deceniu de dezvoltare a paletei de produse.

Acum, vă rog, să privim în spatele invenției dvs și să ne povestiți cât de provocator a fost drumul până aici, cât de intensă călătoria. Ați fost dintotdeauna interesat de laboratoare, experimente, cercetare? Aveți o genă moștenită în acest sens sau e meritul școlii ori pasiunea insuflată de un profesor? Ați fost un copil și adolescent studios, cu abilități superioare?

Da, încă de mic obișnuiam să îmi stric jucăriile că să văd cum „funcționează”, după care încercam să le „repar”. Am fost mereu interesat de electricitate și mecanisme, astfel încât am fost atras de matematică, chimie și fizică încă din timpul școlii. Pasiunea mea pentru chimie s-a dezvoltat cel mai mult în timpul liceului, la Colegiul Național „Mihai Viteazul” din București, unde am participat la olimpiade naționale în mai multe domenii. Nu am fost niciodată de top într-o disciplină anume, însă m-am descurcat foarte bine la competiții interdisciplinare. Acest lucru s-a văzut și mai târziu, când am început cercetarea.

De ce ați ales cercetarea, un domeniu dificil, care presupune mult efort și în care succesul se lasă deseori mult așteptat? Ce vă entuziasmează cel mai mult la munca pe care o faceți?

Am fost întotdeauna curios să descopăr idei noi și am încercat să adresez probleme în moduri mai neconvenționale. Această abordare nu a ajutat întotdeauna la examene, însă a fost de folos în timpul facultății, când am început să lucrez pentru prima dată în cercetare. Această experiență mi-a dat o șansă să explorez teme interdisciplinare, care nu se limitau la materialul de curs. Am putut să lucrez pe proiecte care mă interesau personal, să formulez ipoteze și să îmi testez ideile în practică, ceea ce într-un fel este tot o „joacă”. La doctorat, deși mulți aleg să se specializeze într-o anumită direcție, am ales să învăț cât de mult posibil. Proiectele mele în combustibili solari mi-au permis să dezvolt semiconductori în departamentul de fizică, catalizatori la chimie, reactoare printate 3D la inginerie, sau straturi de protecție în secția de materiale. Într-adevăr, noi de multe ori lucrăm până târziu, și câteodată ne străduim luni de zile până când obținem un rezultat pozitiv, însă puține lucruri se pot compară cu bucuria din acel moment.

Ca să atingi rezultate atât de înalte, sunt suficiente inteligența, pasiunea și efortul sau mai ține și de șansă/noroc ori oameni providențiali pe care să-i întâlnești? Au fost astfel de oameni în viața dvs? Vă considerați un om ”norocos” profesional?

Succesul în cercetare depinde foarte mult de la caz la caz, însă aș spune că este o combinație dintre acești factori. În cazul meu, curiozitatea, motivația și perseverența, sau mai bine spus încăpățânarea, de a-mi pune ideile în practică au fost factorii principali. Am avut și șansa de a avea câțiva colegi foarte apropiați, care m-au susținut mult în timpul primului an de doctorat, când rezultatele se lăsau așteptate în pofida tuturor eforturilor mele. Ei m-au învățat că, din când în când, e bine să mai faci și câte o pauză, să ieși la o cină și să povestești ceva amuzant, în loc să te gândești constant la o problemă. Nu aș zice că sunt „norocos”, însă de obicei insist până reușesc.

Dar în afara muncii de cercetare, ce altceva vă place să faceți?

Îmi place să îmi petrec timpul cu familia și prietenii apropiați, să descopăr muzică și artiști noi, să văd un film bun, sau sa explorez orașe noi când am ocazia să călătoresc.

Bănuiesc, petreceți mult timp în laborator, oferiți mult din timpul dvs muncii. Vă afectează asta viața personală, relațiile? Cum arată o zi din viața dvs?

Majoritatea prietenilor mei sunt din mediul academic, astfel încât împărțim experiențe similare și avem interese comune. Noi ajungem să ne cunoaștem bine în laborator sau la conferințe și ținem de multe ori legătura, astfel încât cercetarea nu îmi afectează viața personală. Avantajul mediului academic este că programul nostru zilnic poate fi foarte flexibil. Atâta vreme cât avem rezultate, putem alege orarul care ne avantajează. Unii colegi sosesc foarte devreme pentru a avea o după-amiază liberă, alții preferă să se trezească mai târziu și să lucreze seara. După perioadele de carantină, am fost încurajați să lucrăm de acasă, dacă nu avem decât de scris.

Când obosiți, de unde vă luați doza de energie?

În timpul doctoratului, obișnuiam să mănânc multă ciocolată. În ziua de azi, nu am probleme cât timp îmi respect orele de somn.

Dacă n-ați fi ales acest drum, ce altă cale v-ar fi plăcut să urmați?

Mereu mi-am dorit să lucrez în cercetare sau în domeniul tehnologiei, într-o formă sau alta. Cele mai năstrușnice idei din copilărie au fost sa devin pilot de Formula 1 sau DJ. (râde)

Privind în urmă parcursul dvs ca cercetător, care e cel mai bun sfat pe care l-ați primit? Care este cel mai important sfat pe care l-ați da unui tânăr atras de o carieră științifică? Cu ce să se ”înarmeze” când pleacă la drum?

Un tânăr cercetător ar trebui să exploreze diferite teme de cercetare și să aleagă un domeniu de studiu de care e într-adevăr atras. Să se uite în jur, să învețe de la fiecare, și să decidă ce abordări se potrivesc cel mai bine personalității și parcursului său. În cercetare poți să lucrezi în ritmul tău, nu trebuie să fii cel mai rapid sau cel mai extrovertit pentru a veni cu o idee originală. În plus, cercetătorii tineri nu ar trebui să se lase descurajați de probleme tehnice sau comentarii negative – ideile disruptive sunt deseori întâmpinate cu mai multă reticență.

Cum vă vedeți mai departe călătoria profesională? Știți, cred, problemele cu care se confruntă comunitatea științifică din țara noastră. Așadar, v-ați marcat pe itinerar sau v-ați dori să marcați și o stație cu numele România?

În următorii ani, plănuiesc să îmi dezvolt un grup de cercetare independentă în Anglia. Mi-ar face multă plăcere să dezvolt oportunități de colaborare între România și Anglia, să contribui prin experiența mea la programele de cercetare naționale și poate chiar să aplicăm pentru fonduri comune naționale sau europene. România are un potențial uman extraordinar pentru inovație, însă universitățile au încă nevoie de investiții semnificative în infrastructură și echipamente moderne de cercetare. În Anglia, vedem de multe ori că cercetătorii aleg să se întoarcă în țările lor de origine, cât timp instituțiile locale oferă o structura solidă de suport. Poate mă voi întoarce și eu la un moment dat, însă să vedem cum evoluează lucrurile.