Plasma: De zoektocht naar een duurzame toekomst in de meststofindustrie

Al meer dan 100 jaar zijn we afhankelijk van een energie-verslindend, broeikasgas-uitstotend proces dat ons kunstmatige meststoffen levert. Maar is er een alternatief? Misschien is plasma wel het antwoord op deze vraag. Ja, plasma, dat wat je terugvindt in een plasmatv !

En toen waren met 7,4 miljard

Thomas Malthus, een Britse econoom en demograaf, publiceerde in 1798 een pessimistisch statement: Volgens hem steeg de bevolking zo snel dat de aarde nooit voldoende voedsel zou kunnen produceren om deze groei mee te volgen. En hij had gelijk. Gelukkig voor ons werd er een manier gevonden om de bodem te verrijken met kunstmatige meststoffen zodat we wel in staat zijn genoeg voedsel te produceren. Deze oplossing heeft echter een kost…

Waarom hebben planten meststoffen nodig?

Meststoffen zorgen dat planten beter groeien omdat ze stikstof (N) bevatten. Planten hebben stikstof nodig om complexe moleculen op te bouwen die essentiëel zijn voor het leven van een plant zoals bijvoorbeeld eiwitten en DNA. 78% van de atmosfeer bestaat uit stikstofgas (N2), geweldig! Maar stikstof vinden die planten kunnen gebruiken is niet zo eenvoudig. Een stikstofgasmolecule bestaat namelijk uit twee stikstofatomen die zeer sterk met elkaar zijn gebonden (N≡N). Vóór planten en andere organismen de stikstof kunnen gebruiken moet deze binding worden verbroken, wat zeer veel energie vergt. Nadat de verbinding is verbroken kan een stikstofatoom worden gebonden aan een ander atoom zoals waterstof (H) of zuurstof (O). Het splitsen van stikstofgas en vervolgens plakken van een stikstofatoom op een ander atoom wordt stikstoffixatie genoemd.

De technologische vooruitgang die we hebben geboekt stelt ons in staat om plasma’s te simuleren. Dit zorgt ervoor dat wetenschappers op een efficiëntere manier en met meer inzicht de omzetting van zuurstof- en stikstofgas naar meststoffen kunnen onderzoeken.

Hoe komen planten aan stikstof?

In de natuur gebeurt stikstoffixatie via blikseminslagen, vuur of actieve vulkanen. Processen waarbij een enorme hoeveelheid energie aan te pas komt. Ook veel bacteriën en sommige planten, zoals peulvruchten, zijn zelf in staat stikstofgas te splitsen (fixeren) en om te vormen in wat ze nodig hebben om te groeien. Om de natuur een handje te helpen bevatten meststoffen reeds gefixeerd stikstof zodat planten meer eten ter beschikking hebben en zo beter kunnen groeien.  

De ontsteker van de populatie-explosie 

Al meer dan 100 jaar zorgt het zogenaamde Haber-Bosch process voor de aanmaak van ammoniak (NH3), een startproduct voor de aanmaak van verschillende meststoffen. In combinatie met verbeterde landbouwtechnieken heeft Haber – Bosch de productiviteit van de landbouw verviervoudigd. Hierdoor steunt niet minder dan 40% van de wereldpopulatie op dit proces voor de productie van hun voedsel. De passend genaamde ontsteker van de populatie-explosie vraagt echter veel energie en maakt gebruik van niet-hernieuwbare grondstoffen. Alle Haber – Bosch plantages tezamen gebruiken al 1% van de totale energieproductie op aarde en stoten hierbij in totaal meer dan 300 miljoen ton aan koolstofdioxide uit (Dat is 3 keer de jaarlijkse uitstoot van België!). Onze sterke afhankelijkheid van dit proces past dus niet in de duurzame samenleving waar we naartoe proberen te werken. We moeten een andere manier vinden om meststoffen te maken.          



Er zijn veel acties ondernomen voor de ontwikkeling van een meer milieuvriendelijk proces. We zouden bacteriën kunnen nabootsen die zelf stikstof kunnen fixeren, of bijvoorbeeld stikstof fixeren met behulp van een plasma. Dit hot-topic wordt o.a. onderzocht aan de Universiteit Antwerpen bij de onderzoeksgroep PLASMANT. 



Plasma?

Een plasma ontstaat door energie doorheen een gas te sturen, waardoor de moleculen aanwezig in het gasmengsel kunnen splitsen en sommige elektronen losgeslagen worden. Hierdoor ontstaat er een chemische cocktail van deeltjes zoals atomen, moleculen, negatieve en positieve geladen deeltjes, elektronen enz. (figuur links) Dit geeft een plasma interessante eigenschappen die we kunnen gebruiken in bijvoorbeeld neonlichten en plasma tv’s. Al deze verschillende deeltjes reageren voortdurend met elkaar en kunnen zo andere moleculen vormen. Wanneer we een mengsel van stikstof- en zuurstofgas (N2 en O2) wordt omgezet in een plasma kan o.a. NO en NO2 worden gevormd, zoals wordt geïllustreerd op de figuur hieronder. Dit zijn twee moleculen waaruit men eveneens meststoffen kan maken. Een plasma is dus reactief, maar daardoor ook zeer complex.

Onderzoek naar plasma’s voor de aanmaak van meststoffen    

Er vinden meer dan 10000 verschillende chemische reacties plaats in een stikstof/zuurstof plasma. Hoe begin je met het onderzoeken van zo een ingewikkeld reactief gasmengsel? Om hier meer inzicht in te krijgen kunnen we het plasma simuleren met een computermodel. Al de reacties die de verschillende deeltjes met elkaar aangaan worden in het model gestopt. Hierdoor kan je niet alleen zien hoeveel stikstof- en zuurstofgas wordt omgezet naar NO en NO2, maar ook hoe dit gebeurd. Je kan bijvoorbeeld te weten komen welke reacties we zouden willen promoten of welke we juist willen tegenwerken.Samen met experimenten kan het omzettingsproces zo worden geoptimaliseerd.  

Is plasma de oplossing voor ons meststofprobleem?

Het is aan ons om tekortkomingen te herkennen in processen die misschien 100 jaar geleden wél de oplossing waren voor een probleem, maar nu niet meer voldoen aan wat onze samenleving nodig heeft. We zoeken niet enkel naar een manier om iedereen eten te geven maar eveneens naar een manier om dit duurzaam te doen. Het Haber – Bosch proces dat we nu gebruiken is dus niet het antwoord waar we nu naar zoeken, plasma misschien wel. Dit onderzoek staat nog in haar kinderschoenen, maar is veelbelovend. Plasma zou ons meststoffen kunnen leveren zonder afhankelijk te zijn van fossiele brandstoffen en zonder gebruik te maken van extreme omstandigheden zoals verhoogde druk en temperatuur, wat eveneens duurzamer is. De technologische vooruitgang die we hebben geboekt stelt ons in staat om plasma’s te simuleren. Dit zorgt ervoor dat wetenschappers op een efficiëntere manier en met meer inzicht de omzetting van zuurstof- en stikstofgas naar meststoffen kunnen onderzoeken. Er is nog veel onderzoek nodig voor we ons doel bereiken, maar dit is al één stap naar een duurzame toekomst.