Sajtónyilvános eseményen, az újságírókkal közösen várta a fiziológiai és orvostudományi Nobel-díj bejelentését a Szegedi Tudományegyetem vezetősége 2023. október 2-án, az egyetem központi épületében. Az SZTE kutatóprofesszorát, Karikó Katalint évek óta az esélyesek között tartották számon, és idén meg is kapta a tudományos világ legjelentősebb elismerését. A Szegedi Tudományegyetem élőben kapcsolta az SZTE történetének második Nobel-díjasát, Amerikából.
A napenergia hasznosításához és tárolásához kínál új módszert, dolgoz ki új anyagokat Janáky Csaba és az általa vezetett MTA – SZTE Lendület Fotoelektrokémiai Kutatócsoport. Az ifjú tudóst eddigi, a levegő szén-dioxid tartalmának a csökkentéséhez hozzájáruló eredményeiről, valamint legújabb sikeréről, az Európai Kutatási Tanács Starting Grant pályázatán elnyert másfél millió eurós támogatás felhasználásáról is kérdeztük.
– A Szegedi Tudományegyetemen diplomázott és doktorált Janáky Csaba. Önéletrajza szerint fotoelektrokémiai kutatási témája amerikai ihletésű, Marie Curie-ösztöndíjas időszakából származik: a napfényt használja olyan kémiai reakcióra, amellyel a szén-dioxidot alakítja át. Miért érdekes ez a téma?
– Sok olyan tudományos témát ismerek, amely gyakorlatilag fontos, de nem különösebben érdekes, illetve nagyon izgalmas, de a gyakorlat szempontjából – legalábbis rövid távon – kevéssé releváns. Az általam választott témát azért szeretem, mert intellektuálisan óriási kihívás, ugyanakkor: ha a felvetett tudományos kérdésekre megadjuk a választ, annak várhatóan hatalmas lesz a gyakorlati jelentősége és hasznos lehet az emberiség jövőjének fenntarthatósága szempontjából is.
– Izgalmasnak találhatják a pályázati döntnökök is az ön által feszegetett kérdéseket. 2014. július 1-jén az MTA Lendület pályázatán elért sikere eredményeként kezdhetett laboratóriumot és csapatot építeni. Újabb hír „robbant” önről, a Szegedi Tudományegyetemen Természettudományi és Informatikai Kar Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszék adjunktusáról 2016 augusztusa végén: öt évre szóló, nagyjából másfél millió eurós támogatást nyert el, a díjazott három magyar között az egyetlen nem budapesti és nem akadémiai intézeti kutatóként. Az MTA – SZTE Lendület Fotoelektrokémiai Kutatócsoport vezetőjeként eddig mit sikerült létrehoznia az elnyert hazai forrásból, illetve mire alkalmas a másik, az uniós pályázati támogatás?
– A Lendület pályázati támogatásból beszerezhettük az alapvető műszereket, fel tudtunk szerelni egy jó színvonalú fotoelektrokémiai labort a Szegedi Tudományegyetem Bolyai épületében. Így az ERC pályázat adhatja az extrákat a laborunkhoz, vagyis annak területét és felszereltségét bővíthetjük, így a legjobbakkal egyenértékű kutatóhellyé fejleszthetjük. A jelenlegi csoportom, amelyben egyelőre a PhD-hallgatók aránya a jelentős, az uniós támogatásnak köszönhetően 2-3 külföldi tapasztalattal rendelkező posztdoktor kutatóval bővülhet. A fizikai-kémiai és anyagtudományi területen dolgozók mellett végre a mérnöki tudományokban jeleskedő kollégákat is meghívhatok a Szegedi Tudományegyetemen működő laboratóriumomba.
– Miért érdekes az ön által is nagyító alá tett tudományos kérdés: „A különböző kémiai reakciókat miként lehet végrehajtani úgy, hogy mind a fény, mind az elektromos áram hatását érvényesítjük?”
– Annak potenciális gazdasági jelentősége miatt. Ilyen kémiai reakció lehet a víz bontása vagy a szén-dioxid hasznos termékekké alakítása. Ezeket elektromos áram segítségével viszonylag könnyen végrehajthatjuk. Ám ez a módszer drága, mert nagy energia-befektetést igényel. A mi megközelítésünk lényege: a napfény energiájának hasznosítása annak érdekében, hogy csökkentsük a kémiai reakcióhoz szükséges, vagyis a befektetendő elektromos áram mennyiségét. Egyszerűen szólva, tehát nem hagyományos fémlemezeket teszünk bele az oldatba és úgy elektrolizálunk, hanem olyan különleges tulajdonságokkal rendelkező, optikailag aktív anyagokat – félevezetőket – alkalmazunk elektródként, amelyek hasznosítani tudják a napfény energiáját. Mindez gyakorlati szempontból is fontos, mert így olcsóbbá tehetjük a folyamatot.
„Csapdába” ejtett napenergia
– A napfény energiáját hányféle módon lehet energiatermelésre használni?
– Három alapvető módszer ismert. A legegyszerűbb, ha valamit – például a levegőt vagy a vizet – megmelegítünk a napfénnyel. Bonyolultabb, de érett és egyre olcsóbb technológia eredménye a napelem, amelynek segítségével elektromos áramot termelhetünk. Ennek a módszernek az eredményeként például Németországban megoldandó problémaként jelentkezett, hogy az napelemekkel termelt úgynevezett zöld áram óriási mennyiségét miként tárolják. Erre csak rövid ideig képesek az akkumulátorok, és a kondenzátorok. A harmadik módszer, hogy ennek a napenergia révén kémiai reakciókat hajtunk végre. Én, a kutatócsoportommal, ennek a harmadik folyamatnak a hatékonyabbá tételén dolgozom. Munkánk eredményeként – reményeink szerint – tárolható lesz a nap energiája.
– A napenergia-termelés terén világszerte a tárolás a legnagyobb kihívás. Erre miként felel a Janáky-féle kutatócsoport?
– A mi módszerünkkel nem kell azonnal felhasználni a napelem segítségével éppen megtermelt áramot. Ha a szén-dioxidot – a napfény energiája segítségével – átalakítjuk tüzelőanyaggá, akkor azt akkor használjuk fel, amikor akarjuk. Sőt: az így tárolt energiának nemcsak a felhasználási időpontját, hanem a helyét is eltolhatjuk.
– A megtermelt „zöld áram” hosszú távú tárolására reményteljes ötlettel álltak elő a biogázzal foglalkozó szegedi kutatók is. Ezért kérdezem: a napenergia tartós tárolása valójában kémiai tárolás?
– Több lehetőség is kínálkozik. A kémiai kötés, kémiai energia-forma lehet például hidrogén – vízbontás eredményeként, vagy: szén-dioxidból készíthetünk olyan terméket, amit tüzelőanyagként használhatunk. Ezzel egyrészt csökkentjük a levegőnek az üvegház-hatásért részben felelős szén-dioxid mennyiségét, másrészt a folyamat végén hasznos termék keletkezik: akár tüzelőanyag, akár egyéb vegyipari alapanyag.
A hozzáadott érték
– Amerikából hozta haza a kutatási témát. A szakma szerint eddigi legnagyobb hatású az a felismerése és annak igazolása, hogy „a CO2 fotoelektrokémiai módszerrel közvetlenül redukálható réz-oxid fotokatódokon, és 95%-os hatékonysággal metanol keletkezik”. Mi az újdonság, a „hozzáadott érték” az ön által vezetett kutatócsoport megközelítésében?
– Az, hogy a napfény energiáját fel lehet használni a szén-dioxid-mennyiség csökkentésére úgy, hogy a már ismert módszer hatásfokát növeljük. Napenergiát felhasználva áramot nagyon hatékonyan lehet termelni, kémiai reakciókat viszont – per pillanat – még nem lehet hatékonyan végrehajtani fotoelektronikai módszerekkel. Ennek pontos okait még nem tudjuk, jóllehet a módszer fizikai-kémiai korlátait még nem feszegetjük. Nekünk van egy ötletünk, amivel talán válaszolhatunk a fenti „Miért?”-re.
– Elárulja, mi ez az ötlet?
– Eddig a legtöbb kutatócsoport azzal volt elfoglalva, hogy találjon valamiféle „csodálatos anyagot”, valamiféle „Szent Grált”, ami olyan elektród anyag, amely képes hasznosítani a napfényt, miközben jó elektromos vezető és kémiai katalizátor, vagyis egyszerre felel meg sokféle kritériumnak. Ezzel szemben mi azt gondoljuk: nem biztos, hogy egyetlen anyag képes egyszerre rendelkezni ennyi előnyös tulajdonsággal. Ezért mi olyan összetett anyagokat kívánunk létrehozni, amelyekben minden komponensnek precízen meghatározott szerepe és funkciója van. Racionálisan megtervezzük, hogy az általunk összeállított anyagban az adott komponens miért felelős. Két-három komponensű, összetett, úgynevezett kompozit rendszerekkel dolgozunk.
– Ezeknek az önök által fejlesztett összetett rendszereknek az alkotóelemei, azok aránya, a szerkezete, a struktúrája, a formája viszont titok?
– Ezeknek a nanoszerkezetű anyagoknak az alakja – kiterjedésük alapján – lehet pötty, vagy szál, vagy sík, illetve az ezekből felépülő szuperstruktúrák. A fotoelektrokémiai területen egyelőre nincs arra bizonyíték, hogy céljaink teljesüléséhez a nanoszerkezetű anyagnak melyik formája, milyen méretben a legmegfelelőbb. Tehát sok-sok paraméterre kell tekintettel lennünk. Mi bioinspirált rendszerekkel foglalkozunk. Vagyis nem utánozni szeretnénk a természetet, hanem a természet inspirál bennünket.
A természet az ötletadó
– Önöket, vegyészeket mire inspirálja a természet?
– Példaként említhetem, hogy a fotoszintézis évmilliók alatt fejlődött oda, hogy a légköri, viszonylag kis koncentrációjú szén-dioxidból szénhidrátokat állít elő, miközben oxigén keletkezik. Ez azonban nem hatékony folyamat, legalábbis abban az értelemben nem, hogy a beeső fény energiájának csak kis részét hasznosítja. De az élővilágnak nem is volt szüksége e folyamat hatékonyságának növelésére, hiszen nem kellett nagy koncentrációban jelen lévő szén-dioxidot átalakítani. Ezért egy hőerőmű kéményén kiömlő füstgáz, vagy egy cementgyár izzítókemencéje által kibocsátott tömény füstgáz, vagy éppen egy földgázkútból származó földgáz körülbelül 15 százaléknyi szén-dioxid-tartalmának az átalakítására a biológiai módszerek kevéssé alkalmasak. Viszont azt megtanultuk a természettől, a fotoszintézis vizsgálatából, hogy az több, meghatározott funkciójú alrendszerből áll. Így például, nagyon leegyszerűsítve, a fotoszintézis egyik alrendszere elnyeli a fényt, a másik a töltéshordozók vándorlásáért, azaz a töltéstranszportért felel, míg a harmadik a katalízisért, a kémiáért felel. Tehát három különböző rendszer, három különböző funkcióval alkot egy egészet. Mi is így állítjuk össze a mi rendszerünket.
– Tehát nem biomimetikus, hanem bioinspirált módon dolgoznak. Mi a Lendület-projekt eddigi kutatási eredménye?
– A Lendület pályázati programunk indulásakor az ötleteinket teszteltünk. Ezek közül szerencsére több is bevált. Az MTA-támogatásnak köszönhetően kikristályosodott: összetett anyagokra, azokon belül jól szétválasztott funkciókra van szükség. Vagyis a létrehozott összetett elektródjainkat akkor tudjuk hatékonyan felhasználni, ha az egyes komponenseknek megvan a pontos szerepük. A Lendület-programunk egyik eredménye az is, hogy nyert az ERC-pályázatunk. Mert például az MTA-pályázati támogatás nélkül valószínűleg nem tudtunk volna olyan színvonalú cikkeket megjelentetni, amelyek szükségesek egy ERC-grant elnyeréséhez. A félidőnél járunk, de eredményeinkkel a vállalt program több mint 50 százalékát teljesítettük, és kinyíltak olyan új kutatási irányok is, amelyeket az induláskor nem láthattunk előre. Ezek az új irányok részben kapcsolódnak a Lendület-programhoz, de ezekre épül az ERC által támogatott projektünk is.
– Egy korábbi újságcikk a Janáky-féle Lendület-program céljaként azt jelölte meg, hogy „a jelenség jobb megismerésével olyan reaktorok (foto-elektrokémiai cellák) kifejlesztése, amelyekkel ipari füstgázok felhasználásával tüzelőanyagok állíthatók elő”. Milyennek kell elképzelnünk ezt a napfény energiáját fölhasználó, szén-dioxidmentes „hasznos terméket” előállító berendezést?
– A reaktorunk egyik oldalán betápláljuk a szén-dioxidban dús füstgázt, és miközben az átáramlik egy elektród felett, megvilágítjuk. E pontig a berendezésünk hasonló egy napelemhez. A belül általunk fejlesztett és elhelyezett nanoszerkezetű anyagok felületén a napfény hatására lejátszódó folyamat eredményeként viszont szén-dioxidban szegény a végtermék. A termék lehet például metángáz vagy metilalkohol. Mérnöki megfontolások alapján mi inkább a szénhidrogén alapú tüzelőanyagokat preferáljuk az általunk fejlesztendő berendezés hasznos termékeként.
„Nagy kockázat – nagy hasznosság”
– Dolgozószobája falán láthatóak azoknak a szakmai folyóiratoknak a címlapjai, amelyekben az első oldalon közölték aktuális kutatási eredményét. E közlemények szakmai súlyát jelzik – olvastam –, hogy öt év alatt megjelent „publikációinak az összesített hatástényezője 164,5, amely több mint duplája az MTA Akadémiai Doktori fokozat megszerzéséhez szükséges követelménynek”. Miért – például kutatómunkája így is mérhető eredményessége miatt – nyerte el az Európai Kutatási Tanács támogatását?
– Az ERC a „nagy kockázat – nagy hasznosság” típusú projekteket támogatja. Tehát az Európai Kutatási Tanács nem mondja meg, hogy milyen területen kutassunk, vagyis „alulról jövő” kezdeményezésekre fókuszál, de csak olyan projekteket támogatnak, amelyek vagy úttörő eredménnyel kecsegtetnek, vagy teljesen új megközelítést nyújtanak.
– Miről szól majd az ERC pályázata öt éve?
– Nyolc külföldi bíráló mondott pozitív véleményt az ERC-pályázatunkról. Értékelték, hogy az eddigi tevékenységhez képest egyet visszalépünk. Így például az elkövetkezőkben azt fogjuk vizsgálni, hogy helytálló-e a bioinspirált koncepciónk? Szisztematikusan megvizsgáljuk, mely paraméterek és hogyan befolyásolják az adott jellemzőjű anyag fotoelektronikai aktivitását. Így tudunk majd tervezni, válaszolni arra, hogy lehet-e jobb anyagot csinálni, ha bonyolultabb is, mint ahogy eddig feltételeztük? Új anyagokkal, összetettebb struktúrákkal fogunk kísérletezni. Fontos, hogy az egyes komponensek találkozásánál, a határfelületek tulajdonságait miként tudjuk úgy szabályozni, hogy jól működjön a rendszer. Az ERC-támogatás révén elindíthatunk olyan alprojekteket, amelyeknek esetleg csak 2-3 év múlva lesz eredménye. Így adott a lehetőség, hogy még mélyebben nézzünk témánk mélyére. Végül középtávon így lehetséges, hogy az összegyűjtött tapasztalatokkal elkészül az a készülék, amely folyamatos üzemben képes arra, hogy a betáplált füstgázból szén-dioxid-mentes gázt, vagyis hasznos terméket állítson elő.
Az SZTE haszna
– Munkájukhoz adhat-e további lökést, hogy majd használhatják a „szegedi szuperlézert”, az ELI – ALPS berendezéseit?
– Mi fény-anyag kölcsönhatást vizsgálunk. Hiszen az elektródjainkat megvilágítjuk, és az így létrejövő töltéshordozóknak a viselkedését tanulmányozzuk, mert azokat akarjuk reakcióba vinni a szén-dioxiddal. De nagyon keveset tudunk arról, mi történik az anyag megvilágításának a pillanatában és az azt követő nagyon rövid időtartamban. Nem tudjuk, min múlik az, hogy ezek az elektron-lyuk párok létrejönnek, vagy hogy azon nyomban el is tűnnek? Hogyan lehet olyan nanoszerkezetű anyagokat előállítani, amelyekben a fotoelektronok jelentős része eléri az elektród/elektrokit határfelületet? Ezek mind olyan kérdések, amelyeket az ELI-ben nagyon jól lehet majd vizsgálni!
– Az Európai Kutatási Tanács 2007-ben indította a Starting, Consolidator és Advanced Grant támogatási formákat. A Szegedi Tudományegyetemen kutatói közül az ERC korábbi pályázati ciklusaiban elnyert uniós támogatás révén ért el eredményeket Tamás Gábor agykutató és Röst Gergely, Totik Vilmos matematikusok. Aktív ERC-pályázati támogatással Berényi Antal agykutató rendelkezik a friss nyertes Janáky Csaba vegyészen kívül. Magyar kísérleti kémikus még nem nyert ERC grantet. Ezért is jelentős eredmény a szegedi kémia szakos és gyógyszerész hallgatókat is oktató Janáky Csaba sikere az ERC Starting Grant pályázatán. De mindettől milyen eredményre, „haszonra” számíthat a Szegedi Tudományegyetem?
– Az ERC grant lehetőséget teremt arra, hogy föllépjünk arra a szintre, ahonnan nemzetközi látómezőbe kerül az érintett szegedi kutatócsoport. Így olyan csapat lehet a szegedi, amely nemcsak küld, hanem fogad is rangos kutatókat. Kialakulhat egy olyan gárda, amelynek tagjait rendszeresen meghívják konferenciákra előadni. Így a nemzetközi tudományos élet vérkeringésébe kerülhetnek újabb és újabb szegedi kutatók. Ha több ilyen ERC-grantes is munkálkodik egy adott intézményben, az hasonló aktivitásra, színvonalugrásra inspirálhatja a többi kutatócsoportot. Konkrétan a mi ERC-támogatásunk új módszertanokat hozhat Szegedre, amelyekből a kémiával foglalkozó, a nanoszerkezeteket más céllal vizsgáló kollégák is profitálhatnak. Mindez hozzájárul ahhoz, hogy tovább erősödjön a kutatómunka a Szegedi Tudományegyetemen.
SZTEinfo – Újszászi Ilona
Fotók: Bobkó Anna
A Junior Prima-díjas, korábban SZTE Sófi-ösztöndíjas Janáky Csaba eredményeiről az SZTE honlapján további információk:
Janáky Csaba, az SZTE vegyésze az Európai Unió legjobb kutatói között
Tüzelőanyagok előállítása napenergia segítségével - Előadás a Szabadegyetem – Szeged XVI. szemeszterében. A programon készült videofelvétel megtekinthető itt.
