An investment in energy and sustainability ‘for the survival of humanity’

Ein kurzer Blick auf datengestützte Prognosen zum Energieverbrauch zeigt eine alarmierende Geschichte: Erneuerbare Energiequellen können nicht mit dem wachsenden Bedarf der Gesellschaft Schritt halten, und eine anhaltende Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen wird den Klimawandel nur noch verschlimmern.

Mit erheblichen neuen Investitionen in die Forschung, die genau auf diese Herausforderungen abzielt, zielt die transformative Energie- und Nachhaltigkeitsinitiative von Penn darauf ab, Lösungen für Energie und Nachhaltigkeit zu erfinden und Wege zu entwickeln, diese zum Wohle des gesamten Planeten einzuführen. Die Initiative ist einer von vier vorrangigen Bereichen, der mit 750 Millionen US-Dollar für die wissenschaftliche, technische und medizinische Forschung rund um die Universität finanziert wird.

„Wir betonen durch unsere jüngsten Investitionen in die Energie- und Nachhaltigkeitsforschung, dass Penn hier ist, um Innovationen zu schaffen und einen echten Einfluss auf die Gesellschaft zu haben, sowohl heute als auch in der Zukunft“, sagt Präsidentin Amy Gutmann. „Die School of Arts & Sciences ist einzigartig gut positioniert, um diese bahnbrechenden, interdisziplinären Bemühungen zu leiten, die die gesamte Universität durchdringen werden.“

Ohne transformativen Wandel wird die Nutzung fossiler Brennstoffe voraussichtlich auch bis 2050 die größte Energiequelle in den Vereinigten Staaten sein. (Bild: US Energy Information Administration)

Unter der Federführung von Penn Arts & Sciences und unter Beteiligung der School of Engineering and Applied Science und anderer Partner werden diese Bemühungen fächerübergreifende Kooperationen zu einer Vielzahl von wissenschaftlichen Themen beinhalten, um Energieerzeugung, -speicherung und -nutzung neu zu denken.

Steven J. Fluharty, Dekan von Penn Arts & Sciences und Thomas S. Gates Jr. Professor für Psychologie, Pharmakologie und Neurowissenschaften, sagt: „Energieforschung hat für die Schule und die ganze Welt gleichzeitig Priorität. Diese neue Investition ermöglicht es uns, die bahnbrechende Arbeit unserer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler voranzutreiben und unser kollaboratives, zukunftsorientiertes Forscherteam zu vergrößern. Ich bin gespannt auf die Entdeckungen, die diese enorme Chance ermöglichen wird.“

Eine planetarische Priorität

Laut Karen Goldberg, Vagelos-Professorin für Energieforschung am Department of Chemistry von Penn Arts & Sciences, ist der Fokus auf Energie und Nachhaltigkeit für Penn eine natürliche Priorität, weil „es wichtig für das Überleben der Menschheit ist“.

Die schädlichen Auswirkungen des Klimawandels – von stärkeren Stürmen bis hin zu extremer Hitze – sind bereits da, und die Abhängigkeit von Öl und Gas ist schwer abzuschütteln. Trotz der Fortschritte bei Solar-, Wind- und anderen erneuerbaren Energien deuten Prognosen, die aktuelle Gesetze und Richtlinien sowie schrittweise technologische Fortschritte berücksichtigen, darauf hin, dass diese fossilen Brennstoffe auch in Zukunft die führenden Energiequellen bleiben werden.

„Das ist wirklich gefährlich, wenn wir vorankommen“, sagt Goldberg, „denn wenn wir immer noch Erdöl aus dem Boden graben und es verbrennen, bringen wir mehr Kohlendioxid in die Atmosphäre.“

Karen Goldberg in ihrem Labor

Karen Goldberg, Chemikerin an der School of Arts & Sciences und Antrittsdirektorin des Vagelos Institute for Energy Science and Technology, leitet die Forschung zur Entwicklung neuer Brennstoffquellen aus Sonnenlicht. (Bild: OMNIA)

Als erste Direktorin des 2016 gegründeten Vagelos Institute for Energy Science and Technology sind Goldberg und ihre Kollegen bereits intensiv in Projekte investiert, die sich darauf konzentrieren, das Schiff auf Energie zu bringen. „Viele Fakultäten haben über das Institut bereits Kooperationen zu Problemen wie der Umwandlung von Kohlendioxid in Kraftstoffe und der Entwicklung von Materialien zur Verbesserung der Energiespeicherung aufgenommen“, sagt sie.

Diese Infusion neuer Finanzmittel, so Goldberg, „wird es uns ermöglichen, einige Starspieler auf diesem Gebiet zu gewinnen, um auf unseren aktuellen Bemühungen bei Penn aufzubauen.“ Und sie sagt, dass diese Neueinstellungen wiederum den derzeitigen Lehrkräften und Auszubildenden zusätzliche Möglichkeiten bieten können, ihre Arbeit in neue Richtungen zu lenken und neue Anwendungen für ihre Erkenntnisse zu finden. Das neue Gebäude, das viele dieser Bemühungen beherbergen soll, das Vagelos-Labor für Energiewissenschaft und -technologie, wird einen Raum bieten, um Diskussionen und Synergien zu diesen Themen zu fördern.

Mehrgleisiger Ansatz

Die Initiative katalysiert die Arbeit in drei Kernbereichen: Diversifizierung von Energiequellen und -speicherung; Energieeffizienz und Nachhaltigkeit; und Überwachung, Erfassung, Umwandlung und Abscheidung von klimaverändernden Schadstoffen.

1. Diversifizierung von Energiequellen und -speichern

Zusammen mit mehreren Penn-Kollegen arbeitet Goldberg selbst daran, neue Kraftstoffe aus Sonnenlicht herzustellen, als Teil des multiinstitutionellen Center for Hybrid Approaches in Solar Energy to Liquid Fuels (CHASE), einer der Wege, auf denen Penn einen Weg für erneuerbare Energien aufzeigt .

„Ich arbeite mit Thomas Mallouk, Eric Stach, Zahra Fakhraai und Jessica Anna als Teil dieses DOE-unterstützten Solar Hubs“, sagt Goldberg. „Im Wesentlichen arbeiten wir daran, kleine Moleküle in der Luft plus Sonnenlicht aufzunehmen und in flüssige Kraftstoffe umzuwandeln.“ Penn ist eine von sechs Partnerinstitutionen, die Teil von CHASE sind, wobei jedes Mitglied spezialisierte technische Expertise einbringt. Goldbergs Labor konzentriert sich beispielsweise auf den Katalysator, der Kohlendioxid in flüssige Brennstoffe umwandelt, während Mallouks Team mithilfe der Elektrochemie Strategien für die langfristige Speicherung von Sonnenenergie ausfindig macht.

Wissenschaftler arbeitet in einer belüfteten Haube in einem Chemielabor mit chemischen Formeln auf der Kunststoffabdeckung.

Im Labor des Chemikers Daniel Mindiola verfolgen Forscher wie die ehemalige Doktorandin Lauren Grant grundlegende chemische Studien, die dazu beitragen könnten, umweltschädliche Verbindungen in wertschöpfende Materialien umzuwandeln. (Bild: Eric Sucar)

„Wenn es um den Klimawandel und die Transformation unserer Energiesysteme geht, kann ein einzelner Forscher dies nicht alleine tun“, sagt Goldberg. “Es wird eine synergetische Anstrengung von Teams aus Wissenschaftlern und Ingenieuren erfordern, die alle zusammenarbeiten.”

2. Energieeffizienz und Nachhaltigkeit

Parallel dazu werden eine Reihe von Gemeinschaftsprojekten unter der Leitung von Penn zu Energieeffizienz und Nachhaltigkeit von weiteren Investitionen profitieren. Das Center for Sustainable Separations of Metals zum Beispiel unter der Leitung des Chemikers Eric Schelter wird darauf abzielen, die Entwicklung von Strategien zur Reduzierung von Abfällen und zur Eindämmung der umweltzerstörenden Gewinnung von Edelmetallen für Anwendungen in der Unterhaltungselektronik zu beschleunigen.

Penn Engineering wird auch bei Energieeffizienzprojekten eine zentrale Rolle spielen. Shu Yang, Joseph Bordogna-Professorin am Department of Materials Science and Engineering, ist selbst führend in den Bemühungen, die Gebäudeeffizienz von außen nach innen zu steigern.

„Gebäude tragen 40 % zum Gesamtenergieverbrauch bei“, sagt Yang. „Und wie spart man angesichts des Klimawandels mit steigenden Temperaturen und gekühlten Gebäuden Energie? Als Ingenieure suchen wir nach einer integrativen Lösung.“

Diese integrative Lösung, die sich Yang zusammen mit Kollegen wie Paolo Arratia, Jennifer Lukes und Liang Feng vorgestellt hat, besteht darin, die Gebäudehülle zu überdenken, „die Schnittstelle zwischen der Umgebung und den inneren Komponenten des Gebäudes“, sagt sie. Unter Verwendung dynamischer Technologien und modernster Materialien zur Nachrüstung bestehender Gebäude entwickeln Penn-Forscher dynamische Baumaterialien, die sich öffnen und schließen können, um Schatten zu spenden, Sonnenlicht zu reflektieren, passiv Wärme abzugeben und die eintretende Luft zu entfeuchten, um Kühlkosten und Energie zu senken . Sie arbeiten auch mit Fakultäten der Stuart Weitzman School of Design wie Dorit Aviv, William Braham und Masoud Akbarzadeh zusammen, um zu überlegen, wie diese Entwürfe umgesetzt werden können, und mit dem Kleinman Center for Energy Policy, um darüber nachzudenken, wie Zonen und Bauvorschriften angepasst werden können unterzubringen und dabei nachhaltige Materialien zu verwenden.

Unterdessen befasst sich das von der National Science Foundation unterstützte Internet der Dinge für Präzisionslandwirtschaft (IoT4Ag) mit Hauptsitz in Penn und unter der Leitung von Cherie Kagan von Engineering mit bodenbasierten Sensoren, Roboterschwärmen und neuen Ansätzen bis hin zur digitalen Vernetzung, um die Landwirtschaft so energieeffizient wie möglich zu gestalten, dabei Wasser und Nährstoffe zu schonen und Erträge zu maximieren.

3. Überwachung, Erfassung, Umwandlung und Bindung von klimaverändernden Schadstoffen

Ein System wie das von IoT4Ag entwickelte könnte auch dazu beitragen, die Umwelt besser zu modellieren und die Inputs zu verstehen, die zum Klimawandel beitragen. Und um diese Eingaben zu modifizieren, sind Forschungen von Wissenschaftlern wie Jennifer Wilcox von Penn erforderlich, der Presidential Distinguished Professor für Chemieingenieurwesen und Energiepolitik, die derzeit im Energieministerium beurlaubt ist. Wilcox ist führend bei der Kohlenstoffabscheidung und anderen Kohlenstoffmanagementstrategien, die verhindern könnten, dass Treibhausgase in die Atmosphäre gelangen, oder in einigen Fällen sogar so weit gehen, dass sie sie aktiv entfernen und dann möglicherweise für andere Zwecke umleiten.

Architektonische Wiedergabe von High-Tech-Gebäuden.

Das neue Vagelos-Labor für Energiewissenschaft und -technologie, das voraussichtlich 2024 fertiggestellt werden soll, wird bestehende und aufkommende Energieforschungsprogramme im Bereich Energie und Nachhaltigkeit konsolidieren. (Bild: Behnisch Architekten)

In ähnlicher Weise überlegen Chemiker wie Schelter und Kollegen, wie man vermeintliche Schadstoffe, zum Beispiel Methan, in Wertstoffe umwandeln kann. Der Chemiker Daniel Mindiola hat bereits einige der dafür erforderlichen Grundlagen der Chemie aufgedeckt und den Grundstein für neue Verwendungen eines starken Treibhausgases gelegt.

Und mit Blick auf die Atmosphäre und darüber hinaus betrachtet die Forschung im Labor von Joseph S. Francisco, einem Fakultätsmitglied der Fakultäten für Erd- und Umweltwissenschaften und Chemie, die Chemie, die der globalen Erwärmung und Geoengineering-Bemühungen zugrunde liegt, um ihre Auswirkungen zu mildern.

Yang weist darauf hin, dass die Vertiefung des Engagements der Universität für Energie und Nachhaltigkeit auch bei Regierung und Industrie auf sich aufmerksam machen wird, was größere Partnerschaften und Kooperationen ermöglicht, die die Umsetzung wissenschaftlicher Innovationen in angewandte Technologien beschleunigen werden. „Wir suchen derzeit Zuschüsse vom Department of Energy, die darauf abzielen, unsere Konzepte in Wohnhäusern im Jahr 3 oder Jahr 4 zu testen“, sagt sie. „Wir wollen diese Themen nicht nur untersuchen; Wir wollen sehen, ob wir sie irgendwann übersetzen und verwenden können.“

Um sich die möglichen Ergebnisse dieser Investition des 21. Jahrhunderts vorzustellen, verweist Goldberg auf einen der einflussreichsten Durchbrüche des 20. Jahrhunderts: den Haber-Bosch-Prozess. Eine chemische Reaktion, bei der Wasserstoff und Stickstoff in Ammoniak umgewandelt wurden, wurde Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelt und ermöglichte die Herstellung erschwinglicher Düngemittel, die heute die Welt ernähren.

„Man brauchte einen Chemiker (Haber) und einen Ingenieur (Bosch), um diesen Prozess zu entwickeln“, sagt Goldberg.

Um die Probleme dieses Jahrhunderts zu lösen, ist ein solcher kollaborativer, umfassender Ansatz unerlässlich. „Energie ist von entscheidender Bedeutung für das Funktionieren der Gesellschaft, und wir müssen sicherstellen, dass sie nachhaltig ist. Penn hat ein beeindruckendes Forschungsportfolio für nachhaltige Energielösungen aufgebaut, und jetzt werden wir in der Lage sein, diese früheren Bemühungen auszuweiten und die erforderlichen technologischen Durchbrüche zu katalysieren. Mit Blick auf das Jahr 2050 müssen die Energiequellendiagramme anders aussehen als heute.“

Student führt chemische Forschung im Labor durch, eingerahmt von Computerbildschirmen und anderen Geräten.

Der Doktorand Stephen Meloni aus dem Labor von Jessica Anna forscht im Rahmen des Center for Hybrid Approaches in Solar Energy to Liquid Fuels (CHASE) in der Physikalischen Chemie. (Bild: Eric Sucar)