Til hovedinnhold

Den tynne hinna

Den tynne hinna

Publisert 19. april 2013

Plantenes fotosyntese er avhengig av membraner. Og vi hadde ikke hatt hørsel uten trommehinna. Må det også en membran til for å redde oss fra en klimakatastrofe?

Et liv krever to ting: Ei hinne som kan skille mellom ingenting og noe. Og dette «noe» må være en organisme som kan produsere seg selv.

Amerikanske kjemikere laget for en tid tilbake et protein som oppfører seg slik primitive enzymer gjorde da livet oppsto på jorden. Proteinbiten besto av to kjeder med 31 aminosyrer i hver. Forskerne greide også å få fram hinner eller membraner formet som en del av bakterien.

Kan livet ha oppstått slik? At genetisk materiale tilfeldigvis ble innlemmet i en membranblære – og at dette førte til videre formering?

Basis i alt liv

Sikkert er det i alle fall at supertynne hinner og membraner – ofte bare på noen nanometer (milliarddels meter) – finnes overalt i oss og rundt oss. De fungerer som en slags vegg som slipper gjennom enkelte molekyler, men er lukket for andre. Og de har større betydning og kraft enn vi er klar over.

Best kjenner vi trommehinna i øret. Den tynne membranen beskytter det indre øret. Samtidig settes den i bevegelse av vibrasjoner fra lydbølger, og omdanner lydbølger til bevegelse av øreknoklene – som igjen oppfattes som lyd.

Kunstnerisk utformet illustrasjon av dyrecelle. Den grønne cellemembranen inneholder protein- og fettmolekyler. Signaler utenfra mottas ved at stoff transporteres gjennom membranen, eller ved at et stoff bindes til overflaten og endrer membranen. Dette medfører igjen forandringer i cellens stoffskifte. Illustrasjon: RUSSELL KIGHTLEY/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Kunstnerisk utformet illustrasjon av dyrecelle. Den grønne cellemembranen inneholder protein- og fettmolekyler. Signaler utenfra mottas ved at stoff transporteres gjennom membranen, eller ved at et stoff bindes til overflaten og endrer membranen. Dette medfører igjen forandringer i cellens stoffskifte.
Illustrasjon: RUSSELL KIGHTLEY/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Også i planteverdenen er de organiske membranene uunnværlige. Fotosyntesen, der et tre eller en plante kan fange opp CO2 og lys fra sola for å lage vedceller og oksygen, er en av de viktigste naturprosessene på jorda.

– Poenget er å fange opp energi fra sollyset og gjøre den om til kjemisk energi, forklarer Trygve Brautaset på SINTEFs sektor for bioteknologi.

– Selve maskineriet for energiomdanningen ligger inne i en foldet membran i plantecella. Her finnes de lyssensitive delene med klorofyll.

Når sollyset påvirker elektroner i molekyler her, går de over i en mer energirik tilstand, og solenergi blir til kjemisk energi. Dette er et sinnrikt system med en strengt regulert skytteltrafikk av ioner og molekyler gjennom flere membraner. Ganske så fantastisk. Det påstås at alle høyere former for liv faktisk ville dø ut i løpet av 25 år om denne prosessen opphørte!

Intelligens i cellemembran

I våre egne kroppsceller omgir membranene hver eneste celle. Hinnene er så tynne at de ikke ble oppdaget og bekreftet før de mer moderne mikroskopene kom etter 1945. Derfor er det først de siste årene at forskere har oppdaget hvilken rolle membranen spiller i kroppen vår.

For ikke bare skiller hinna det indre av cella fra miljøet rundt, men «noe» i membranen tar viktige og riktige beslutninger om hvilke stoffer som får slippe inn og ut av cella. Membranen behandler rett og slett forskjellige molekyler på forskjellige måter: Stoffer som er farlige for cella, eller som cella ikke trenger, får ikke slippe inn.

Cellebiolog Bruce Lipton, som har undervist ved University of Wisconsin’s School of Medicine og senere ved Stanford University’s School of Medicine, har viet all sin forskning til cellemembranen.

Han hevder kontroversielt nok at det ikke er gener som bestemmer livet vårt, men cellemembranen. Det er her den aktive intelligensen i en celle ligger. Membranen tar imot signaler fra cellens omgivelser ut fra hvilke molekyler som fester seg på membranveggen, tolker signalene og forteller så cella hvordan den skal arbeide. Og signalene skaper vi selv i stor grad gjennom stress, ernæring og følelser, påstår Lipton.

Menneskeskapte hinner

Mennesket har lært seg å etterligne de fantastiske membranene i plante- og dyreverden til egne formål.

I dag finnes uorganiske membraner nær sagt overalt. Enten som gjennomtrengelige hinner der de fleste forbindelser får passere, eller som halvt gjennomtrengelige som bare lar noen forbindelser slippe gjennom.

«Membranen vår synes å kunne gi billigst og mest effektiv fangst av CO2, og vi skal nå i gang med å oppskalere teknologien.»
Forskningssjef Rune Bredesen

De menneskeskapte membranene ligger for eksempel under flisene på badegulvet ditt, sørger for å filtrere ut bakterier så du får godt drikkevann, og finnes i brenselceller i industrien. Det brukes membraner i konstruksjoner som skal stå imot vanntrykk. De benyttes i grøntanlegg, under veitraseer og i ulike former for basseng.

Energi og klima

Enkelte forskere på SINTEF har arbeidet med membraner i mange år. Rune Bredesen og Thorleif Holt er to av disse. Den ene forsker på membraner for å få til mer effektiv CO2-rensing. Den andre jobber med membraner som skal danne saltkraftverk.

Det første saltkraftverket i verden ble bygd som en prototyp på Hurum i fjor. Det blander ferskvann og sjøvann gjennom membraner, og klarer å få ut energi gjennom osmose.

Over hele Europa og USA arbeides det med membraner til saltkraftverk. En av oppgavene til SINTEF er å delta i utviklingen av den optimale membranen til Hurumanlegget. Thorleif Holt og kollegene hans har testet hundrevis, men er ennå ikke i mål.

– Vi vil ha rent vann, ren luft, matsikkerhet, god ressursbruk og en bærekraftig energibruk. Da kreves effektiv separasjonsteknologi, og membraner blir viktige, sier Rune Bredesen som står med en membran av palladiumsølv som kan separere hydrogen. Membranen ligger på et stålrør. Foto: Ståle Andersen

– Vi vil ha rent vann, ren luft, matsikkerhet, god ressursbruk og en bærekraftig energibruk. Da kreves effektiv separasjonsteknologi, og membraner blir viktige, sier Rune Bredesen som står med en membran av palladiumsølv som kan separere hydrogen. Membranen ligger på et stålrør.
Foto: Ståle Andersen

Nå står Holt i hvit frakk på laboratoriet og vil vise meg en såkalt arkmembran. Det ser ut som et glanset papirark. Med en saks i hendene plundrer han med å få arket til å dele seg i ulike lag. Til slutt lykkes det, og jeg ser den glansede tynne hinna og de resterende to lagene som fortsatt ser ut som selve arket.

– Dette, sier han, og peker på hinna, – er sjiktet der den osmotiske prosessen skjer. De to andre lagene er egentlig med bare for å støtte opp under denne.

– Og hva er membranens rolle i et saltkraftverk?

– Den fungerer etter samme prinsipp som i en menneskecelle: Noen stoffer slippes gjennom – andre ikke. Ferskvann og saltvann fylles i samme kar – bare atskilt av en membran. Så ligger det i ferskvannets natur å presse seg gjennom membranen for å tynne ut saltvannet, og da øker trykket i saltvannsdelen. Ferskvannet går gjennom membranen, men ikke saltene.

– Hvor mye øker trykket?

– Den maksimale trykkøkningen kan sammenlignes med en vannsøyle på 250 meter.

Cirka halvparten av dette utnyttes til å drive en turbin som produserer strøm.

Holt og kollegene har konsentrert seg mest om arkmembraner. Men lagene bør bli tynnere og mer porøse, og det er viktig at vannet trekker inn i dem. Samtidig må de være sterke.

Og fordi ufattelige mengder med vann skal passere hver time gjennom et saltkraftverk, trenges det også store arealer med membraner.

For ikke å ta for mye plass pakkes derfor membranene i moduler. Torleif Holt viser fram en skisse av en membranmodul der ferskvann og sjøvann trekkes til hver sin side av membranene.

Membraner for en renere verden

I Oslo sitter SINTEF-kollega Rune Bredesen og hans team som arbeider med materialer rettet mot innfanging av CO2. Også her – innenfor det som regnes blant de mest sentrale tema i verden i dag – er membranene med i bildet.

Verden mangler energi, og en måte å produsere strøm på er å forbrenne naturgass. Aberet er at når naturgassen brennes, reagerer karbonet i gassen med oksygen fra lufta og danner CO2. Den kan ikke sendes ut i lufta.

Dagens debatt rundt gasskraftverk handler om hvordan man skal få prisen ned så metoder for CO2-fangst blir så rimelige at de blir tatt i bruk. Både Bredesen og forskerkolleger ved Universitetet i Oslo og NTNU jobber med å finne billigste og beste måte å gjøre dette på. Da kan ikke rensemetodene bruke for mye energi.

– Det er flere måter å rense på, sier Bredesen.

SLIK FÅR ET SALTKRAFTVERK STOR MEMBRANOVERFLATE

SLIK FÅR ET SALTKRAFTVERK STOR MEMBRANOVERFLATE

– Vi arbeider mye med å fjerne CO2-gassen før forbrenningen i kraftverket, såkalt precombustion-teknologi. Naturgass eller kull omdannes da til hydrogen og CO2. Så bruker vi membraner til å splitte de to gassene. Når vi har separert ut de brennbare hydrogenmolekylene, får vi CO2-gass som lettere kan behandles og tas vare på. Hydrogenet kan vi bruke i kraftproduksjonen som brensel.

– Dere har fått mye skryt internasjonalt for denne hydrogenmembranen?

– Ja, den gjorde det bra i et EU-prosjekt om CO2-fangst, der 24 partnere deltok og fire ulike teknologier ble vurdert og sammenlignet med hensyn til kostnader og effektivitet. Vår membran synes å kunne gi billigst og mest effektiv fangst av CO2, og vi skal nå i gang med å oppskalere teknologien. Et gasskraftverk trenger nemlig noen tusen kvadratmeter med membraner.

– Hvorfor er det lurt å benytte membraner?

– Når naturgass omdannes til såkalt syntesegass, som er H2 og CO, går det med masse energi, og man bruker høyt trykk og høy temperatur for å gjøre det effektivt. Deretter må gassen kjøles ned, før den kan separeres i en væske som fanger opp CO2.

Med membranteknologien kan forskerne foreta begge deler i en og samme prosess. I tillegg kan de gjøre dette ved en lavere temperatur. Prosessen blir derfor både effektiv og billig på samme tid, ifølge Bredesen.

Han forteller at de nye membranene består av et tynt sjikt av palladiumsølv som bare slipper gjennom hydrogen. Fordi sjiktet bare er cirka 1/50 mm, ligger det på et porøst stålrør som gir mekanisk styrke.

En annen type teknologi som avdelingen jobber med, dreier seg om membraner som kan transportere oksygen. De kan brukes for å separere oksygen fra luft. Gjennom å bygge slike membraner inn i kraftverk kan man få til en forbrenning i ren oksygen, det vil si uten fortynning av nitrogen. Da vil avgassene i all hovedsak bestå av CO2 og vanndamp – som lett kan avkjøles og separeres.

SLIK VIRKER EN HALVGJENNOMTRENGELIG MEMBRAN

SLIK VIRKER EN HALVGJENNOMTRENGELIG MEMBRAN

Membran mot global oppvarming?

Men er det også slik at mennesket kan styre kretsløp og vilkår for levende liv?

Ja, mener det norske firmaet Albedo Technology International, som hevder at deres spesielle type refleksjonsmembran kan bidra til å styre jordoverflatens temperatur og slik påvirke den menneskeskapte delen av global oppvarming.

I perioden fra 2007 til slutten av 2009 foretok selskapet en rekke tester i Sahara, der de sprøytet produktet sitt på bakken for å danne en solreflekterende hinne. I etterkant viste det seg at temperaturen på overflaten ble redusert med 45 grader.

På det en million kvadratmeter store testfeltet sitt i Marokko har selskapet prøvd ut flere varianter av produktene sine, og forskere ved det norske klimaforskningssenteret Cicero går gode for at biomembranen har stort potensial om man kan få den til å ligge over lengre tid på store områder.

Selskapet satser nå på å starte opp parallell forskning i Arizonaørkenen i USA. I et utvidet samarbeid mellom Idaho National Laboratory, flere amerikanske universiteter og forskere ved Cicero vil de dokumentere hva som skjer av endringer når store energimengder reflekteres ut fra jordoverflaten.

Så gjenstår det bare å se om biomembranen kan oppnå større medieoppmerksomhet enn sine organiske slektninger. Uansett – via sitt daglige, trofaste arbeid for å holde kroppene våre gående og livet på jorda i gang – spørs det om ikke de opprinnelige, biologiske membranene er de mest avanserte.

Kilde: L.J. Henderson: Livets opprinnelse og utvikling.

Åse Dragland

Denne saken er hentet fra Gemini.no - Forskningsnytt fra NTNU og SINTEF

Forskningssjef

Kontaktperson:
Rune Bredesen