Artificiell fotosyntes

Transkript

1 Artificiell fotosyntes Är lilla molekylen lösningen på stora frågan om hållbar energi? Helena Sagar 30 hp Institutionen för kemi och molekylärbiologi Göteborgs universitet

2 Sammanfattning Detta är ett teoretiskt projekt vid naturvetenskapliga fakulteten inom forskarutbildningsämnet Naturvetenskap med inriktning mot utbildningsvetenskap. Projektet är avsett som underlag för högskolepoäng inom NatFak för en filosofie doktorsexamen. Detta arbete som behandlar artificiell fotosyntes och består av två olika delar, utgör ett bidrag till den vetenskapliga grund som den svenska skolan ska vila på. De två olika delarna bidrar ur olika perspektiv: 1. Del 1 utgör ett bidrag ur ämneskunskapsperspektiv what to teach (Shulman & Shulman, 2004); det är en för grundskollärare lättillgänglig sammanfattning på svenska av 4 vetenskapliga artiklar och en myndighetsrapport om artificiell fotosyntes, alla på engelska. 2. Del 2 utgör ett bidrag ur ämnesdidaktiskt perspektiv- how to teach (Shulman & Shulman, 2004); det är en planering för hur man kan arbeta med energikällor, med artificiell fotosyntes som en framtida sådan, på ett sätt som representerar flera olika komponenter som forskning visat bidra positivt till elevers intresse för NO och teknik. Dessa komponenter ingår i den lärandemiljö som kallas entreprenöriellt lärande och som läraren kan erbjuda eleverna genom i sin undervisningspraktik (Sagar, 2013). 2

3 Innehållsförteckning Sammanfattning... 2 Innehållsförteckning... 3 Bakgrund... 5 Syfte med detta teoretiska projekt... 6 Upplägg och metod... 6 Del 1 Ämneskunskaper inom artificiell fotosyntes what to teach... 8 Bakgrund vätgas som bränsle... 8 Tekniker för att framställa vätgas med hjälp av solenergi... 9 Biologisk vätgasproduktion... 9 Solceller och elektrolys Artificiell fotosyntes Artificiell fotosyntes Effektivitet i naturlig fotosyntes - förväntningar för artificiell fotosyntes (3) Biokemiska mekanismer i naturlig fotosyntes Fotosystemens struktur avgör effektiviteten Fotosystem I, PSI (6) Fotosystem II, PSII (6, 9) Biomimetisk kemi och artificiell fotosyntes (3) Syntetiska mangankomplex i biomimik av PSII (9) Sammanfattning av den svenska lösningen (3) Kopplingen till biologisk forskning - supermolekylen (3) Framtiden (3) Del 2 Pedagogisk planering för undervisning om energi och hållbar utveckling för åk 9 how to teach Bakgrund Lärarens förhållningssätt och elevernas lärmiljö Entreprenöriellt lärande en lärmiljö Konstruktivismen en lärandeteori Inledning för läraren Energikällor och hållbar utveckling Produktion och konsumtion av energi Inledning med eleverna Genomgångar och uppgifter

4 Pedagogisk planering för eleverna Visa lärande Paneldebatt (görs av alla och i samverkan med SO- och sv-lärare) Skriv någon form av artikel till nästa nummer av Energifallet Bemöt några medieinslag om energikällor Mål och bedömning Övergripande mål för kunskaper (Kapitel 2.2) Långsiktiga mål (syften) Fysik Kemi Biologi Teknik Kunskapskrav Centralt innehåll Fysik Kemi Biologi Teknik Områdesbeskrivning/undervisning Gemensamma genomgångar och övningar Uppgifter i grupp eller enskilt Referenser

5 Bakgrund Skollagen (1) från år 2010 säger att utbildningen inom alla skolformer som ingår i för- och grundskolan ska vila på vetenskaplig grund och beprövad erfarenhet (1, s. 1). Den vetenskapliga grunden problematiseras oftast i relation till undervisningsstrategier och lärandeteorier men inte lika ofta i relation till kompetensutveckling i ämneskunskaper för olika former av ämneslärare. Särskilt lärare i de olika NO-ämnena och teknik kan behöva vetenskapligt grundad kompetensutveckling i ämnena, eftersom forskning och utveckling inom dessa ämnen sker i en allt snabbare takt. Ämneslärare i NO i grundskolan bör inte helt och hållet förlita sig på att faktainnehållet i läroböckerna är uppdaterat enligt de senaste forskningsrönen. Organismernas indelning och tarmarnas totala yta i biologiboken och antalet planeter i vårt solsystem i fysikböckerna är några exempel på hur våra naturvetenskapliga modeller har förändrats relativt nyligen och hur läroböckerna inte har (hunnit) ändras. Som doktorand i CUL-forskarskola har jag som samtidigt praktiserande lärare i NO och teknik bedrivit tvärvetenskaplig forskning med ett av syftena att vara en bro mellan akademi och praktik inom utbildningsfältet. Min avhandling har fokuserat på den del av den vetenskapliga grunden i skolan som berör undervisningsstrategier. Genom detta arbete vill jag bidra till att stärka bron mellan akademi och lärarens praktik även i relation till NO- (och teknik-) lärares ämneskunskaper genom att bearbeta området artificiell fotosyntes på en vetenskaplig nivå och omarbeta det till en nivå och till ett sammanhang som är relevant för en högstadielärares undervisningspraktik i NO (och teknik). Medveten om den ämnesindelning som råder i den akademiska världen och i skolans värld, tänker jag mig att detta arbete kan användas som underlag för kompetensutveckling för lärare i teknik, utöver den självklara kopplingen till NO-lärare. Som bekant är kemi och olika former av förnyelsebar energi starkt kopplade till varandra. De kemiska och fysikaliska principerna bakom kemisk energi, som är en form av potentiell energi och som finns lagrad i alla ämnen, är mycket viktiga att förstå, också för att förstå flera centrala begrepp och skeenden inom biokemi. Var finns då den kemiska energin? Man vet att denna energiform finns lagrad i atomernas kemiska bindningar och att den kan frigöras bl.a. som ljus- eller värmeenergi. I fotosyntesen används den kemiska energin bl.a. till att producera socker, som både växten själv och växtätare behöver. När vi tänker använda fotosyntesen som modell för att på kemisk väg (artificiell fotosyntes) producera den energirika vätgasmolekylen är det inte bara kemiska principer och kemisk syntesteknik som behövs. Att få ett system som, tillsammans med syrgas, omvandlar vätgas till vatten och energi (bränslecell) genom att nyttja fotonerna från solen för att primärt dela vatten i sina beståndsdelar (artificiell fotosyntes), vätgas och syrgas, är ett stort och mycket intressant problem som spänner över hela naturvetenskapen och tekniken ett problem som många stora forskningsorganisationer arbetar med. Således illustrerar artificiell fotosyntes dessutom ett av de fall inom tekniken där tekniken och utvecklingen av ny teknik förväntas underlättas med hjälp av naturvetenskaplig forskning och ämnesövergripande naturvetenskapliga upptäckter och modeller. 5

6 Syfte med detta teoretiska projekt Att bearbeta ämnesområdet artificiell fotosyntes på en vetenskaplig nivå och omarbeta det till en nivå och ett sammanhang som är relevant för en högstadielärares undervisningspraktik i NO (kemi, biologi, fysik) och teknik. Omarbetningen innebär dessutom en översättning av naturvetenskapliga begrepp från engelska till svenska, en översättning som är en stor barriär för många NO- och tekniklärare i Sverige när det gäller vetenskaplig text. Genom denna bearbetning görs vetenskapliga texter mer tillgängliga för ett stort antal NO- och tekniklärare i Sverige, vilket i sin tur kan bidra och inspirera till att undervisningen i NO och teknik vilar på en vetenskaplig grund med avseende på NOoch tekniklärares teoretiska ämneskunskaper what to teach (Shulman & Shulman, 2004). Detta syfte relaterar till Del 1 i denna studie. Att presentera en planering som kan utgöra en utgångspunkt för undervisning om energi, som kan integreras över ämnena kemi, biologi, fysik och teknik, utöver den självklara kopplingen till SO och svenska. Planeringens upplägg och förslag på arbetsformer och redovisningar (där eleverna ska visa sitt lärande) är utformad i samstämmighet med min uttolkning av flera övergripande intentioner i Lgr11. En av aspekterna i denna tolkning överensstämmer med undervisningsstrategier som kan härledas till begreppet entreprenöriellt lärande, som är ett centralt begrepp i min doktorsavhandling. Sist, men kanske viktigast av allt, planeringen vilar på vetenskaplig grund avseende undervisningsstrategier how to teach (Shulman & Shulman, 2004) - genom att den lyfter fram förhållningssätt, arbetsmetoder och ingångar i lärandet, som forskning entydigt visar ökar elevernas intresse och motivation för skolans NO och teknik. Därigenom blir planeringen, utöver kopplingen till den vetenskapliga grunden, ett initiativ som syftar till att avhjälpa den, sedan länge, nedåtgående trenden av elevers sviktande intresse för skolans NO (där kemin kanske lider mest) och teknik, som är problemet och själva utgångspunkten för hela min forskningsstudie. Detta syfte relaterar till Del 2 i denna litteraturstudie. Upplägg och metod 1. Följande vetenskapliga artiklar och rapporter om artificiell fotosyntes bearbetas för omarbetning till en mera tillgänglig och direkt användbar nivå i relation till undervisning i kemi, biologi och fysik (NO) samt teknik på högstadiet: 3) Svenska Energimyndigheten, STEM. (2003). Artificial photosynthesis. Deriving energy from sunlight and water. Malmö: Elanders Grafiska Skogs AB. 4) Svenska Energimyndighetens hemsida, STEM. (2014). 5) Curtis, H Biology. New York: Worth Publishers Inc. 6) Amunts, A., Toporik, H., Borovikova, A., & Nelson, N. (2010). Structure Determination and Improved Model of Plant Photosystem I. The Journal of Biological Chemistry, (285)5, ) Broser, M., Gabdulkhakov, A.,Kern, J., Guskov, A., 3, Müh, F., Saenger, W., & Zouni, A. (2010). Crystal Structure of Monomeric Photosystem II from 6

7 Thermosynechococcus elongatus at 3.6-A Resolution. The Journal of Biological Chemistry, (285)34, ) Peters, J. W. (1999). Structure and mechanism of iron-only hydrogenases. Current Opinion in Structural Biology (9), ) Xu,Y., Eilers, G:, Borgström, M., Pan, J., Abrahamsson, M., Magnuson, A., Lomoth, R, Bergquist, J., Polivka, T., Sun, L., Sundström, V., Styring, S., Hammarström, L., & Kermark, B. (2005). Synthesis and Characterization of Dinuclear Ruthenium Complexes Covalently Linked to RuII Tris-bipyridine: An Approach to Mimics of the Donor Side of Photosystem II. Chemistry - A European Journal, (11), Kunskaperna om artificiell fotosyntes integreras i en planering för undervisning om energi i fysik, kemi, biologi och teknik i årskurs 9 på grundskolan. Planeringens innehåll och upplägg är inspirerad av entreprenöriellt lärande och avser att understödja elevernas intresse och motivation för att lära NO och teknik, i enlighet med forskningsresultat som är presenterade i min avhandling (Sagar, 2013). Undervisningens upplägg och innehåll är också anpassat med avsikt att hjälpa eleverna att nå de mål som beskrivs i relevanta övergripande mål, långsiktiga mål, centralt innehåll samt kunskapskraven enligt Lgr11 (2). 7

8 Del 1 Ämneskunskaper inom artificiell fotosyntes what to teach Denna text utgör i sin stomme en sammanfattning av referens (3). Arbetet med denna sammanfattning av referens (3) inkluderar en viss omstrukturering utifrån min egen förståelse. Det som står i min text nedan inkluderar begrepp och processer som jag har skapat mig en förståelse för. De vetenskapliga artiklarna (6), (7), (8) och (9), samt STEM:s hemsida (4) och universitetsläroboken (5), har använts för att komplettera den stommen som sammanfattning av referens (3) utgör. I dessa fall har referensen angivits i direkt anslutning till den kompletterande texten. Bakgrund vätgas som bränsle Vätgas är en effektiv bärare av energi. Väte kan användas som bränsle för att producera 1 både värme och elektricitet. Vätgas kan produceras av naturgas eller med hjälp av förnybara energikällor (4). Trots att väte är universums minsta grundämne, vad vi vet idag, kan det genom att det är en så effektiv energibärare, hjälpa mänskligheten med ett av dess största problem; utsläppen av koldioxid från den ökande trafiken och från industriella tillverkningsprocesser som kräver energi. Vätgas och syrgas utvecklar stora mängder energi när de reagerar med varandra och slutprodukten är vanligt rent vatten. (4). När vätgasen reagerar med syre kallar vi det förbränning av vätgas. 2H 2(g) + 0 2(g) 2H 2 0 Om vi kan ta tillvara den stora mängd energi som frigörs vid förbränning av vätgas (3), på ett sätt som gör att vi kan använda oss av den, kan den ge oss både elektricitet och värme. Detta kan vi göra med hjälp av en teknik som vi använder i s.k. bränsleceller. Om bränsleceller, som drivs av vätgas, kopplas till elmotorer, kan de ersätta vanliga förbränningsmotorer i bussar, lastbilar och privatbilar. Om vi dessutom kan producera vätgas med hjälp av solenergi får vi en energialstrande process som möjliggör en hållbar utveckling (3). I naturen är väte nästan alltid bundet till något annat ämne, ofta till syre i vattenmolekylen. Tyvärr är det inte helt lätt att skilja på syret och vätet i vattenmolekylen, och många idag befintliga tekniska processer är alltför ineffektiva för att vara lönsamma (4). Några av de bästa lösningarna hittar vi i naturen och vi lägger nu stora forskningsresurser på att efterlikna dessa naturliga processer i en kontrollerad teknisk miljö; vi försöker efterlikna den process som sker i cyanobakterier (ibland kallade blågröna alger) och den som sker i fotosyntsen. Den senare biomimetiska processen (härmar naturliga processer i ett syfte som gagnar människan) (3) kallar vi artificiell fotosyntes. Man kan även utvinna väte ur kolväten som biogas och fossila bränslen (4). Även om dessa utvinningsprocesser är sämre för miljön, kan det vara dessa som kommer att användas på kort sikt, innan vi med forskningen hjälp kan få den artificiella fotosyntesen att bli tillräckligt effektiv (4). 1 Begreppet produktion av energi, behöver diskuteras med eleverna i pedagogiska sammanhang för att undvika förvirring. Se Del 2, sidan 21. 8

9 Hur vi än utvinner vätgas, står vi också inför utmaningen att kunna hantera den på ett säkert sätt (4). Eventuellt läckande vätgas bildar knallgas med luftens syre, och knallgas reagerar explosivt vid antändning (4). Det råder störst risk för explosion inomhus, eftersom den väldigt lätta vätgasen snabbt stiger utomhus och späds ut, varvid explosionsrisken minskar. Eftersom de största riskerna med vätgas föreligger vid transport, lagring och användning, har det skett stora satsningar på att utveckla tekniken för att eliminera dessa risker. Man har kommit långt med detta förberedelsearbete i Europa. Frågan har istället förskjutits till hur vi ska framställa vätgas med hjälp av solenergi (3). Om vi kan finna ett sätt att framställa vätgas i enlighet med hållbar utveckling skulle vi kunna möta världens energibehov, på ett hållbart sätt, en lång tid framöver (3). Här kan produktionen av vätgas i den process som kallas artificiell fotosyntes användas. Metoden liknar delar av den naturliga fotosyntesen som sker i växter och som producerar syre som en biprodukt; det är den viktiga reaktionen som splittrar vatten som utnyttjas och det är också denna som man fokuserar på i forskningen kring processen. Det är i sin tur det stora behovet av energi som är tillgänglig över en längre tid än de fossila bränslena, likväl som strävan efter en hållbar utveckling, som driver denna forskning. Samhället klarar sig helt enkelt inte hur länge som helst utan förnyelsebara energikällor som alternativ till de fossila bränslena (3). Mängden solenergi som når Sveriges yta är 1000 ggr större än Sveriges totala energibehov. Det vore oerhört fördelaktigt om vi kunde lagra denna solenergi i en energibärande form som användas som bränsle i olika processer. Detta bränsle kan vara vätgas (3). Tekniker för att framställa vätgas med hjälp av solenergi Det finns för närvarande olika tekniker för att framställa vätgas med hjälp av solenergi. Biologisk vätgasproduktion Både cyanobakterier, som också fortfarande benämns blå-gröna alger, och gröna alger har kapacitet att konvertera solenergi till vätgas. Processen katalyseras av enzym, som kallas hydrogenaser (3, 8). Dessa proteiner kan katalysera både konsumtion och produktion av vätgas, men effektiviteten är alldeles för låg med sina enstaka procent. Som med många andra enzym, exempelvis proteaser, cellulaser och lipaser som används i tvättmedel, kan även hydrogenaserna göras mera effektiva med hjälp av genteknik och genmodifiering. Forskning inom detta område sker för närvarande i Sverige (3). Hydrogenaser (8) Hydrogenaser katalyserar omvandlingen mellan vätgas å ena sidan samt protoner och elektroner å andra sidan. Man har funnit dessa enzym i de flesta prokaryoter men även i lägre eukaryoter. De finns framförallt i anaeroba mikroorganismer, där de har betydelse på olika sätt i relation till väte och vätgasbildning. Dels katalyserar hydrogenaserna ett upptag av elektroner som då vätejoner tar upp elektroner och bildar vätgas i den reduktionsprocessen. Vätgasen frigörs då i bakteriell fermentation. Hydrogenaserna kan också bistå i användningen av de elektroner som frigörs vid oxidation av väte. Elektronerna används då vid reduktion av olika substrat i en energigivande process. Eftersom vätgasproducerande mikroorganismer samexisterar med vätgasanvändande på ett sätt där de båda är beroende av varandra, lagras vätgas normalt inte i de anaeroba nischer där de finns i naturen. Hydrogenaserna innehåller 9

10 antingen både nickel och järn, NiFe, eller enbart järn, Fe. NiFe finner man oftast i de vätgasoxiderande mikroorganismerna medan Fe finns framförallt i de hydrogenaser som finns i vätgasproducerande mikroorganismer. Med hjälp av kristallografiska diffraktionsstudier har man kunnat visa att Fe-hydrogenaser från olika organismer är väldigt lika varandra i sin arkitektur, även i det aktiva sätet, som kallas H-cluster. Strukturen är intressant att undersöka i relation till artificiell fotosyntes och de funna likheterna mellan hydrogenaserna bildar en grund för designen av små mimik-molekyler som kan skapas syntetiskt; syntetiska hydrogenaser. Informationen om naturens olika men strukturellt lika hydrogenaser ligger som grund för att föreslå modeller för de mekanismer som sker vid vätgasomvandlingen. Man kan då tänka sig att dessa modeller kan användas i relation till artificiell fotosyntes, som är beroende av en molekyl med hydrogenasernas funktion. Figur 1. Generell bild av en Fe-hydrogenas. Aktiva siten syns i mörkblå färg (från referens 8). Solceller och elektrolys Vi har redan effektiva solceller som producerar elektricitet. Det finns olika sorter och dessa bearbetas i Del 2 i denna litterasturstudie, där eleverna ska samla och bearbeta information om olika energikällor. För närvarande ligger effektiviteten på ca 15-20% vid produktion av elektricitet. Dock lider produktionen av vätgas med hjälp av solceller och elektrolys av stora energiförluster eftersom nästan hälften av elektriciteten som produceras av solcellerna går förlorad under elektrolysen av vatten till syrgas och vätgas (3). Elektrolys av vatten Vid elektrolys används en strömkälla för att driva en redoxreaktion i en elektrolytlösning, som innehåller joner och därmed kan leda ström. Den negativa polen, katoden, tillför elektroner och positiva joner från elektrolytlösningen vandrar till katoden. De positiva jonerna reduceras då genom att de tar emot elektroner från katodens yta. Vid anoden, som är den positiva polen, sker på motsvarande sätt en oxidation då de negativa jonerna avlämnar elektroner vid anoden. Om jonerna, elektrolyterna, är lösta i vatten, är det inte enbart vattnets fåtaliga hydroxidjoner, 10

11 OH -, och oxoniumjoner, H 3 O +, som reagerar. Vattnet i sig själv undergår också eletrolys enligt följande: 2 H 2 O O H e - (en oxidation) och 2 H 2 O + 2 e - H OH - (en reduktion). Elektrolys kan därmed används till att spjälka vatten i vätgas och syrgas. Fotoelektrokemisk solcell I vissa system är det material som fångar ljuset och själva elektroden samma sak och då kan vätgasproduktionen ske direkt i solcellen. Rent teoretiskt kan man då förvänta sig en högre effektivitet. Hittills har man påvisat en effektivitet strax över 10% (3) men då i en mycket kostsam konstruktion med kort livslängd. Artificiell fotosyntes Artificiell fotosyntes är ett exempel på biomimetik eller biomimetisk kemi genom att den härmar växternas fotosyntes så som den sker i naturen. Dock undviks den kostnad i både pengar, tid och rum som en växande planta medför. Den solenergi som fångas in genom artificiell fotosyntes en fotokemisk process - lagras direkt i bränslet vätgas. Det är vätgasproduktion genom artificiell fotosyntes som är den process som fokuseras i detta arbete. Artificiell fotosyntes I alla processer som människan initierar i ett bestämt syfte, tekniska processer, är det naturligtvis intressant att beräkna effektiviteten, ur olika perspektiv. Tekniska processer som är alltför ineffektiva för att vara försvarbara ur ett ekonomiskt, i vissa fall också ur ett hållbart, perspektiv undviks av förklarliga skäl. Det är därför av intresse att göra beräkningar kring teoretisk och förväntad praktisk effektivitet innan man ens försöker utveckla en viss process. Effektivitet i naturlig fotosyntes - förväntningar för artificiell fotosyntes (3) Inlagringen av solens energi i vätgas är, som alla andra processer där energi omvandlas, inte 100% effektiv. Eftersom det är den naturliga fotosyntesen i växter som ska härmas är det intressant att veta mer om hur effektiv just den processen är. När man beräknar effektiviteten i naturlig fotosyntes räknar man endast med den energi som blir tillgänglig för människan i form av biomassa och mat. Biomassan, som kan fungera som bränsle för att ge värme eller elektricitet utgör mindre en 1% av den energi som växten fångat in av solenergin. Utifrån denna låga effektivitet kan man undra om det är någon mening med att spendera pengar och kraft på att forskning och utveckling av artificiell fotosyntes, eftersom vi med teknikens hjälp oftast åstadkommer processer med lägre effektivitet och avsevärt högre kostnad än de som naturen tillhandahåller (jmfr ekosystemtjänster). Dock är det så att det i fotosyntes finns två typer av processer som interagerar. De mest grundläggande är de där ljusenergin fångas in och lagras i tidiga energibärare, de ljusa reaktionerna. De sekundära 11

12 reaktionerna, som då inte kräver något ljus och som kallas de mörka reaktionerna, är de som utgör själva livet i växten, såsom reproduktion och uppbyggnad av biomassa. De ljusa reaktionerna har en effektivitet på 40-50%. De mörka reaktionerna är inte utvecklade för hög effektivitet och det är i dessa som den stora energiförlusten uppstår. I artificiell fotosyntes är det de ljusa reaktionerna som härmas, vilket skapar förväntningar på en hög effektivitet i denna process. Om man ser till hela Sverige, som är ett avlångt land på övre delen av det norra halvklotet, så har vi en stor årstidsvariation av solinstrålning från söder till norr. Under ett år nås Sveriges yta, både i söder och norr, av 1000kWh per kvadratmeter landyta. Med ett teoretiskt värde på 40-50% effektivitet för artificiell fotosyntes är det rimligt att förvänta sig en effektivitet på 15% i praktiken. Om man föreställer sig en panel/konstruktion som omvandlar solenergi med en 15%-ig effektivitet, och som sitter på taket på ett en-planshus, skulle detta täcka energibehovet för hela hushållet, inklusive uppvärmning under hela året. Vårt lands hela transportsystem skulle vara försörjt om samma panel/konstruktion täckte 70m 2 per person. Detta betyder att det är förhållandevis små ytor som skulle behöva täckas med paneler. Det är dock också nödvändigt att finna teknik för effektiv förvaring och transport av den uppsamlade energin i form av vätgas. Artificiell fotosyntes beforskas även internationellt, men det är främst i Sverige som forskningen är inriktad på bränsleproduktion. Denna forskning, som kräver tvärvetenskaplig kompetens, är särskilt inriktad på att effektivisera de katalysatoriska mekanismerna som möjliggör splittringen av vattenmolekylen till vätgas och syrgas. Biokemiska mekanismer i naturlig fotosyntes I grundskolans NO-undervisning brukar vi beskriva den naturliga fotosyntesen enligt följande: Solenergi 2 Vatten + koldioxid syre + druvsocker Eller H 2 O + CO 2 O 2 + C 6 H 12 O 6 En något mera ingående beskrivning ser ut som följer (bild hämtad från ref 3): 2 I pedagogiska sammanhang är det viktigt att poängtera att det inte måste vara solenergi eller solljus för att fotosyntesen ska ske. 12

13 Energin till reaktionerna kommer från ljuset som fångas upp av klorofyll; ett ljusabsorberande pigment, P, som när det träffas av ljuset flyttar elektroner från vattnet till acceptorn Q. Elektronerna binds till sist in i kolhydrater med luftens koldioxid som byggsten. Elektronerna kan frigöras från vatten med hjälp av mangan, som därmed fungerar som en katalysator vid oxidationen av vattenmolekylen. När vattnet splittras frigörs syrgas och vätejoner. Vätejonerna kan användas till att framställa vätgas i den process som kallas artificiell fotosyntes. Klorofyll kan konvertera ljusenergi till kemisk energi endast då det är associerat med särskilda proteiner och inneslutet i ett speciellt membran, thylakoiden/de thylakoida membranen (5, 6), som finns inuti en organell som kallas klorplast (3, 5). Fotosyntesen innefattar, vad vi vet idag, av två enheter (5), fotosyntetiska reaktionscenter; Fotosystem I, PSI, och Fotosystem II, PSII. Dessa båda system består av proteiner och ickeprotein-komponenter och de driver ljusberoende elektronöverförande reaktioner, som resulterar i bildning av högenergibärarna ATP och NADPH (6). PSII katalyserar ljusberoende reaktioner som frigör elektroner till PSI. Elektronöverföringen ökar den elektrokemiska potentialen i thylakoida membranen och det är denna potential som driver fosforyleringen av ADP till ATP. PSI katalyserar ljusdriven elektrontransport från insidan av membranet till ferredoxin på utsidan (stroma). Det reducerade ferredoxinet används i sin tur för produktion av NADPH som bistår i omvandlingen av koldioxid till organiska molekyler. PSII är unikt i sin förmåga att kunna frigöra elektroner från vatten (6, 7); det är den enda kemiska katalysator som vi känner till som kan splittra vatten (3), men det är PSI som är den mest effektiva fotoelektriska apparaten i naturen med en näst intill 100%-ig användning av ljuset till just elektrontransporten (6). PSII är nyckeln till nästan allt liv på jorden som vi känner till (3), med några få undantag som exempelvis svavelfixerande bakterier som kan leva på mörka djup i haven. Det är fotosystem II:s förmåga att frogöra elektroner från vatten som är grunden till att växter är den dominerande formen av liv på jorden. Fotosystemens struktur avgör effektiviteten Effektiviteten i båda fotosystemen är beroende av en viss rumslig struktur för de molekyler som ingår i reaktionerna. Det är därför av stort värde att veta hur den tre-dimensionella strukturen i fotosystemen ser ut (6). Genom att framställa proteinkristaller, vilket i sig är en komplicerad process, och sedan utsätta dessa för elektromagnetisk strålning av olika energiinnehåll, kan forskare skapa bilder av tre-dimensionella strukturer av proteiner. Detta förfarande kan även användas för de molekylkomplex som både PSI och PSII består av. Det är dock en komplex uppgift för forskare att skapa sig en helhetsbild av detta, eftersom båda fotosystemen innehåller många olika subenheter som behöver undersökas i sin struktur och inbördes placering inom fotosystemen (6). Den kunskap som vi hittills har om den tredimensionella strukturen för båda fotosystemen, har vi främst hämtat från dessa fotosystem i cyanobakterier (6, 7). För PSI har forskare lyckats erhålla information även från PSI-systemet från högre växter genom diffraktion av elektromagnetisk strålning i kristaller av PSIkomplexet (6). Vi återkommer till detta nedan. 13

14 Det är PSII som ligger till grund för artificiell fotosyntes (3), men vi ska först titta lite närmre på PSI. Fotosystem I, PSI (6) PSI fungerar som en konverterare av soljusenergi, genom att det katalyserar ett av de initiala stegen av fotosyntes i cyanobakterier, alger och högre stående växter. Fotosystem I fångar solljuset och omvandlar den energin till excitationsenergi genom ett mycket intrikat och välorganiserat nätverk av pigment in till mitten av molekylen, där energin används i elektronöverförande reaktioner. Genom kristallisering av PSI har Amunts, Toporik, Borovikova och Nelson (6) kunnat skapa sig en förbättrad förståelse för de mekanismer som ingår i dessa processer. Som tidigare nämnts har den samlade kunskap som vi har om båda fotosystemens tredimensionella struktur hämtats främst från cyanobakteriernas system. För PSI har man dock kunnat skapa sig en bild även av PSI i högre växter och det visar en mycket stor strukturell komplexitet och även några proteiner som inte finns i motsvarande system hos cyanobakterierna. Den förhållandevis låga upplösningen i Amunts, Toporik,Borovikova och Nelsons (6) tidigare bilder av kristallstrukturer av PSI från högre växter kunde inte ge någon information om formeringen eller identiteten av olika amionsyra-sidkedjor. De har dock lyckats förbättra reningen och kristalliseringen av membranproteiner i PSI från högre växter till den grad att de fick bilder av strukturerna med betydligt högre upplösning. Deras förbättrade kristallisationsprocess är mycket värdefull i sig, men eftersom detta arbete syftar till att informera om artificiell fotosyntes är det främst den kunskap som forskarna kunde erhålla och publicera med hjälp av de i högre grad reproducerbara och homogena kristallerna samt den förbättrade diffraktionskvaliteten som är av intresse i detta arbete. Även om de tidigare kristallerna visade sig vara små och känsliga lyckades man få värdefull kunskap genom att sammanställa data från ett stort antal undersökningar av olika delar på många olika kristaller. Genom de förbättrade kristalliseringsprocesserna lyckades man dock få en kristall av sådan kvalitet att man kunde få den en del av den sökta informationen från enbart en kristall. Man såg då att växt-psi består av två separata funktionella enheter; PSI-kärnan och den perifera LHCI (Light Harvesting Complex)-antennen. Kärnkomplexet är likt det som finns i cyanobakterier, medan LHCI är unik för växter och gröna alger. Kärnkomplexet består av 12 protein-sub-enheter, varav två av de största binder den största andelen av pigmenten och utgör en grundläggande byggsten för elektronöverföringen i PSI. LHCI:s funktion är att öka effektiviteten av den fotosyntetiska processen i växterna, genom att den kan fånga in ljus ur ett bredare spektrum av elektromagnetisk strålning och leverera excitationsenergi till kärnkomplexet. Forskarnas nuvarande kristallstruktur påvisar ett PSI-superkomplex med mer än 10 % fler atomer än vad den tidigare strukturen visade och dessutom en ny upptäckt; en liten protein-enhet. Därutöver kunde man i den förbättrade strukturen se tydligare bilder av tidigare kända klorofyller men även några nya. Ett av dessa nyupptäckta klorofyller är ett gap-klorofyll, som är beläget mellan kärnkomplexet och LCHI. Gapklorofyller är unika för växt-psi. 14

15 Figur 2. Den tidigare strukturmodellen anges i gul färg och den nya modellen, baserad på Amunts, Toporik, Borovikova och Nelson studie från 2010 (6), i blå färg. Man ser att flera av gapklorofyllen befinner sig i andra positioner än vad tidigare modeller visat, samt att det finns minst ett gapklorofyll som man tidigare inte kände till, CHL1303. Fotosystem II, PSII (6, 9) Fotosystem II ligger till grund för artificiell fotosyntes; det innehåller ett membranbundet enzym som finns i alla växter och alger och som kan liknas vid en solenergidriven generator. Elektroner transporteras, via flera komplexa set av ljusdrivna reaktioner, från vatten till en elektron-acceptor. Denna process genererar en potential, som är ett energirikt stadium, över hela membranet där Fotosystem II innesluts. Resultatet av dessa elektrontransporterande reaktioner är att vatten splittras till syrgas och vätejoner. Kemiskt sett är det denna reaktion som frigör elektronerna ur vattnet som är den svåraste. Möjliggörandet av vattnets splittring är unik för kärnkomplexet i Fotosystem II (PSIIcc PSII core complex) (6, 9). Elektronerna som PSII frigör från vattnet överförs till acceptorer och används i reduktionen av koldioxid till kolhydrater (9). I den primära fotoreaktionen absorberas ljus av ett klorofyllpigment i kärnan av PSII. Detta pigment fungerar sedan som en donator av fotoelektroner, en åt gången, och det regenereras genom elektronöverföring från ett tetranukleärt mangankomplex, där själva vattenoxidationen äger rum. Mangankomplexet binder vatten och överför en elektron åt gången till det oxiderande klorofyllpigmentet. När fyra elektroner har tagits från komplexet släpps molekylärt syre iväg och processen upprepas. Mangankomplexet i PSII är den enda naturligt förekommande katalysatorn för vattens oxidation som vi känner till. Det är detta steg som efterliknas i artificiell fotosyntes. Den stora fördelen är att vatten är en obegränsad elektronkälla (3). År 2000 var det en forskargrupp i Berlin som lyckades i detalj beskriva mekanismen för Fotosystem II. Denna detaljerade kunskap var ett viktigt genombrott för framtida arbete utifrån den naturliga fotosyntesens mekanismer. De tre huvudsakliga mekanismerna för splittringen av vatten kan sammanfattas enligt följande: 1. En molekyl som fångar ljuset som ger energi till de kemiska reaktionerna. I naturen utgörs denna molekyl av klorofyll. 2. Ett tyrosin som medierar elektrontransporten och katalyserar rektionen. 15

16 3. Ett mangankomplex som skickar elektroner till klorofyllet, som utgör en yta där vattnet kan splittras. Biomimetisk kemi och artificiell fotosyntes (3) Inom biometisk kemi efterliknas eller härmas kemiska processer som finns i naturen. De biomimetiska processerna har dock inte någon motsvarighet i naturen, så vitt man vet. Naturens klorofyll är i artificiell fotosyntes ersatt med kemiska föreningar som innehåller den ädla metallen ruthenium, vars egenskaper liknar klorofyllets så tillvida att rutheniumkomplexen absorberar ljus av liknande väglängder som de som klorofyll absorberar. Ruthenium har dessutom en liknande oxidationspotential, som är tillräckligt stark för att driva oxidationen av vattnet. Vi kan jämföra mekanismerna i den naturliga fotosyntesen med dem i den artificiella fotosyntesen (figurer från referens 3). Vätejonerna kan användas till att framställa vätgas i artificiell fotosyntes: ljuset fångas upp av ruthenium (istället för klorofyll) och energin används för att flytta elektroner från donatorn (mangan i naturlig fotosyntes) till acceptorn (Q i naturlig fotosyntes). Elektroner tas från vatten, precis som i naturlig fotosyntes, och används till att göra vätgas av vätejonerna från vattnets splittring. Det nya komplexet för den artificiella fotosyntesen kan avge flera elektroner, vilket liknar den naturliga processen i Fotosystem II, där fyra manganjoner och tyrosin tillsammans kan tillhandahålla fyra elektroner innan vattnet splittras i sina komponenter. Vid tiden för Energimyndighetens publicering av referens 3 kunde det artificiella systemet inte splittra vatten 3. 3 Jag har kontaktat Energimyndigheten och försökt få kontakt med Ann Magnusson för att veta var denna forskning står just idag, men inte lyckats få svar eller information från någon av dem. 16

17 Mekanismerna för splittringen av vatten i artificiell fotosyntes kan sammanfattas enligt följande, vilket kan jämföras med Berlinforskarnas ovanstående sammanfattning av den naturliga fotosyntesen som gjordes år 2000: 1. Där finns en molekyl som fångar ljuset; det är rutheniumkomplexet istället för klorofyll. 2. Tyrosin medierar elektrontransfer. 3. Ett mangankomplex avger tre till fyra elektroner till ruthenium och har förmåga att binda till sig vattenmolekyler. Vätgasen som kan bildas av vätejonerna är en stor energibärare. Vid vätgasförbränning består restprodukten av vatten vilket gör att den kemiska kretsen kan vara sluten i ett artificiellt system. Vattnets oxidation i Fotosystem II katalyseras av fyra manganatomer, som samarbetar med aminosyran tyrosin. Mangan kan binda vatten och bryta upp vattenmolekylerna så att de kan leverera elektron efter elektron till klorofyll P. När fyra elektroner har frigjorts ur två vattenmolekyler, frigörs syrgas och vätejoner. De fyra elektronerna levereras en åt gången till klorofyllet, via tyrosinet. Det som saknas i dagsläget i den artificiella fotosyntesen är att kunna frigöra elektroner från vatten och inte enbart från mangan. De svenska forskarna arbetar intensivt med att förbättra supermolekylens kemiska struktur för detta ändamål (3). Det finns enklare processer för att framställa vätgas än den som utgör splittring av vatten, men dessa drivs inte av ljus. Det är just detta som gör att de svenska forskarna vill få rutheniumkomplexen att fungera som katalysator, så att de kan bistå i produktionen av vätgas genom att förena elektronerna och vätejonerna från vattnets splittring. För att detta ska fungera måste bindningen som håller ihop rutheniumkomplexet och katalysatorn kunna överföra elektroner på ett effektivt sätt. Även i detta fall är det från naturen som forskarna hämtar sin inspiration. Man provar att binda quinone till ruthenium och första försöket lyckades (3). Rutheniumkpomplexen har till och med vissa fördelar över klorofyllets egenskaper; de är robusta medan klorofyll är förvånansvärt känsligt mot ljus. Växter lever med sin ljuskänslighet, som de kompenserar för genom komplicerade läknings- och återhämtningssystem. I artificiell fotosyntes har man inte råd med denna känslighet för att processen ska bli effektiv; den måste vara riskfri och innebära så litet underhåll som möjligt. Nedan följer en mer ingående beskrivning av ett delvis svenskt forskningsinitiativ kring rutheniumkomplexen. Syntetiska mangankomplex i biomimik av PSII (9) Det är endast få mangankomplex som skapats syntetiskt och ännu färre som visat sig oxidera vatten hela vägen utan hjälp av andra ämnen. Forskargruppen Xu et. al. (9) har arbetat med att försöka få fram en manganbaserad och biomimetisk katalysator för vattenoxidation. I detta syfte beredde och undersökte de flera supramolekylära system i vilka ett mono-eller dinukleärt mangankomplex kopplades till en rutheniummolekyl. De har observerat ljusinducerad, intramolekylär elektrontransfer från mangan till ruthenium i alla sina komplex. De lyckades också överföra tre elektroner, en åt gången, från de dinukleära 17

18 mangankomplexen till rutheniummolekylen. Dock har de ännu inte lyckats upptäcka någon bildning av syrgas med något av dessa komplex. Mangan finns i stora mängde i de övre lagren av jordskorpan och finns lättillgängligt för många organismer i biosfären. Därför kan man tänka sig att det vore naturligt att imitera naturens egen preferens för mangan i fotosyntetisk vattenoxidation, och därför är det intressant att notera att de tidigare (år 2005) enda syntetiska material som kunde utföra vattenoxidation i en hyfsad grad var dinukleära komplex med ruthenium. Detta är naturligtvis orsaken till att flera olika rutheniumkomplex har syntetiserats, varav många visar sig fungera som katalysator för vattnets oxidation. Den forskargrupp (9) som också gjort och prövat flera olika mangankomplex har nu även prövat att åstadkomma ljusinducerad oxidation av vatten med ett trinukleärt rutheniumkomplex som katalysator. I kontrast till deras tidigare studerade mangankomplex visade sig de trinukleära rutheniumkomplexen ha alltför kort livstid för emission för att kunna initieras till elektronöverföring med hjälp av en extern eletronacceptor. Forskargruppen tror sig dock kunna lösa rutheniumkomplexets korta livstid genom vidare forskning. Man har redan sett att problemet kan avhjälpas något genom förankring med ligander, varvid livstiden ökar mångfalt. Sammanfattning av den svenska lösningen (3) Den svenska idén för att få en tillräckligt och fullt fungerande artificiell fotosyntes är unik genom att den bygger på skapandet av ett supermolekylsystem, i vilket rutheniumkomplexet är kopplat till ett mangankomplex, som ska likna det som finns i naturlig fotosyntes. Syftet med mangankomplexet är att frigöra elektroner, precis som i naturlig fotosyntes, men sedan ge elektronerna, en åt gången, till ruthenium. När projektet startade i Sverige 1993 insåg forskarna att det var svårt att förena ruthenium och mangan i ett komplex. Man lyckades dock med enstaka joner och kunde därmed visa att tesen fungerade; man kunde åstadkomma artificiell fotosyntes. Ungefär samtidigt kom ett annat genombrott inom fotosyntesforskning. Det var då som man upptäckte tyrosins viktiga roll i den vattensplittrande reaktionen, genom att tyrosin kopplar ihop mangankomplexet med klorofyll P. Tidigare trodde man att tyrosin enbart hade en biträdande roll i reaktionen. Utifrån denna nya kunskap byggde de svenska forskarna ett rutheniumkomplex som var kopplat till ett tyrosin. Allt sedan dess har kunskapen om ruthenium-tyrosinkomplexet och den ljusdrivna överföringen av elektroner från mangan till tyrosin visat sig vara central. Denna kunskap har även bidragit till ny forskning som inte skulle ha varit möjlig med traditionella forskningsmetoder inom biologi. Kopplingen till biologisk forskning - supermolekylen (3) Som nämnts ovan under avsnittet om hydrogenaser, finns det encelliga alger som kan producera enzymer som bistår i produktionen av vätgas genom förening av vätejoner och elektroner. Därmed finns många av de kemiska principer som är av intresse för artificiell fotosyntes redan i dessa organismer och vetskapen om detta används också i forskningen som syftar till att imitera hydrogenasernas funktion och mekanism (se avsnitt om hydrogenaser ovan, 8). I Sverige bedrivs forskning även inom detta område, eftersom netto-produktionen av 18

19 vätgas i den naturliga varianten av den blå-gröna algen (egentligen cyanobakterie) Nostoc är mycket låg. Den genmodifierade varianten av Nostoc producerar mycket mera vätgas. Hydrogenasernas katalytiska centrum innehåller järn och svavel som aktiva komponenter. Man kan framställa komplex som liknar dessa järn-svavel-komplex på konstgjord väg. De svenska forskarna som arbetar med artificiell fotosyntes har börjat undersöka om de kan koppla ruthenium och mangan till sådana järn-svavel-komplex. Det är i detta sammanhang som fotosyntesforskarnas samarbete med de biologiska vätgas-produktions-forskarna har inletts och det är just detta samarbete som ligger bakom förväntningarna på skapandet av en supermolekyl. I supermolekylens centrum kommer ruthenium att finnas och omgärdas av ett mangankomplex på ena sidan samt ett järn-svavel-komplex med quinone på andra sidan. När ruthenium absorberar ljus, skickar det iväg en elektron, som transporteras via quinone till järnet och hamnar i ett väte. En ny elektron matas in i ruthenium från mangankomplexet, via tyrosin. Efter två sådana ljusdrivna elektronöverföringar, bildas vätgas. Efter fyra sådana reaktioner tar mangan fyra elektroner från vattnet. Denna sekvens av reaktioner kan upprepas. Om detta scenario kan förverkligas kan den tekniska utvecklingen av en konstruktion för omvandling av solenergi till vätgas börja. Framtiden (3) Möjligen kan man i framtiden skapa solpaneler, liknande dem som man tillverkar för solceller, som kan placeras på tomma ytor som hustak. Dessa måste då innehålla två delar, eller tankar, som är åtskilda. För närvarande tänker man sig att dessa tankar är fyllda med vatten och att ett membran som liknar det som finns i det naturliga systemet separerar tankarna. På ena sidan av membranet splittras vattnet av mangankomplexet och syrgas bildas. På den andra sidan tillverkas vätgas med hjälp av en katalysator som är gjord av platina eller ett järn-svavel-komplex. Detta betyder att solenergikonstruktionen bildar livsnödvändig syrgas i den ena delen och den starka energibärande vätgasen, som kan användas som bränsle i bl.a. bränsleceller, i den andra delen. Figur 3. Tankar fyllda med vatten och åtskilda av ett membran. Man tänker sig att vätgasen ska kunna utnyttjas omedelbart eller att den ska kunna lagras i ett vätgasabsorberande material. Det finns en förväntan om ett näst intill självbärande system som bara behöver fyllas på med vatten emellanåt. De konstgjorda supermolekylerna med mangan, järn och ruthenium kommer att vara länge och när de måste ersättas bör det vara möjligt att återvinna restmaterialet för minsta möjliga påfrestning på miljön. 19

20 Del 2 Pedagogisk planering för undervisning om energi och hållbar utveckling för åk 9 how to teach Bakgrund En lärares undervisningspraktik tydliggör hens förhållningssätt till både kunskap och lärande genom den lärmiljö som hen skapar och erbjuder eleverna. Lärarens förhållningssätt och elevernas lärmiljö En lärmiljö består av både det fysiska och det mentala rummet som omger eleverna i undervisningssituationen. Den sammantagna lärmiljö som läraren skapar och erbjuder eleverna tydliggör om läraren har en atomistisk eller holistisk syn på kunskap; om hen fokuserar på elevernas inlärning och återgivning av fakta eller på elevernas lärprocess och faktiska användning av fakta i olika mer eller mindre verklighetsbaserade situationer och problemställningar. Den sammantagna lärmiljön som läraren skapar och erbjuder avslöjar dessutom huruvida läraren ser eleverna som en resurs i sitt eget lärande och hur läraren uppfattar att själva lärandet uppmuntras och sker hos eleven. En av utgångspunkterna för de studier som ingår i min doktorsavhandling (Sagar, 2013) är den stora betydelse som läraren och hens undervisningspraktik den lärmiljö som läraren skapar och erbjuder har på elevernas sammantagna lärande. Entreprenöriellt lärande en lärmiljö En annan utgångspunkt i min doktorsavhandling är olika studier som påvisar ett ökat intresse för och en ökad motivation hos eleven att lära skolans naturvetenskap och teknik. Dessa studier lyfter komponenter som kan beskrivas som entreprenöriellt lärande och/eller autentiskt lärande ; två begrepp som egentligen avser lärmiljöer i motsats till att vara teorier om själva lärprocessen. Konstruktivismen en lärandeteori Den eller de lärmiljöer som speglar entreprenöriellt lärande representerar ett särskilt förhållningssätt hos läraren (Sagar, 2013) avseende både (meningsfull) kunskap och elevernas lärprocess. Lärarens förshållningssätt till elevernas lärprocess och lärande, i en lärmiljö som är inspirerad av entreprenöriellt lärande, kan ramas in i den lärandeteori, från psykologiforskningen, som kallas konstruktivismen. Inom konstruktivismen menar man, enligt Biehler och Snowman (1997), att meningsfull inlärning ses som ett aktivt skapande av kunskapsstrukturer, som utgår från personliga erfarenheter hos varje individuell elev. Eleven formar en personlig bild av världen utifrån befintliga kunskaper, intressen, attityder och mål. Inlärningen är meningsfull då den lärande använder sig av den kunskap och de färdigheter han eller hon redan har, för att lösa realistiska problem i en realistisk kontext. Detta överensstämmer med det förhållningssätt som den lärare har, som inkluderar komponenter från begreppet entreprenöriellt lärande i skapandet av sin undervisningspraktik och elevernas lärmiljö: 20

21 Constructivism: The view that meaningful learning is the active creation of knowledge structures rather than a mere transferring of objective knowledge from one person to another (Snowman, McCown & Biehler, 2009; sidan 568). Enligt Biehler och Snowman (1997) kan man stöda ett konstruktivistiskt lärande genom att skapa lärmiljöer där eleverna utsätts för flera olika perspektiv kring ett problem eller ämne. Läraren arrangerar innehållet i inlärningsuppgiften och agerar handledare i elevernas lärande genom att leda aktiviteterna så att eleverna själv upptäcker, och konstruerar, en personlig och meningsfull uppfattning om problemet eller ämnet. Vidare, kan läraren bidra till diskussioner eleverna emellan genom att skapa kognitiva konflikter. Dessa kan med fördel skapas genom att läraren presenterar en provokativ idé eller flera olika perspektiv som berör de begrepp som eleverna ska lära sig. Som att uppmuntra diskussioner kring olika energikällor och att eleverna ska ta underbyggda ställningstaganden för eller emot olika energikällor med utgångspunkt från hållbar utveckling. Inledning för läraren Energikällor och hållbar utveckling Inom arbetsområdet kommer energi att bearbetas med olika energikällor som utgångspunkt och med användning av vetenskapliga fakta och naturvetenskapliga begrepp, processer och fenomen. Energikällorna ska dessutom belysas i relation till hållbar utveckling och ett aktivt samhällsmedborgarskap där eleverna inom kort framtid ska ta ställning på saklig grund, debattera och rösta i frågor som rör energikällor. Produktion och konsumtion av energi Diskutera produktion och konsumtion av energi i relation till en el-räkning som eleverna tar med sig hemifrån. Uttrycken produktion och konsumtion av energi kan behöva problematiseras i detta sammanhang, eftersom det egentligen är en energiomvandling som sker, från en energiform till en annan. Det är ingen nyproduktion av energi, som ordet kan tänkas ange. Vi använder ordet producera utifrån att vi med teknikens hjälp omvandlar energi sparad i en viss form till en form av energi som vi människor kan använda oss av i olika tekniska processer, som värme eller elektricitet. Vi kan sedan omvandla värme och elektricitet för att tillfredsställa våra behov av att värma våra bostäder, laga mat, driva industriell produktion, få belysning i våra hem, stryka våra kläder, använda tvättmaskin mm. Likväl som att vi i vardagslag pratar om att vi producerar energi, pratar vi också om att vi konsumerar energi. Här använder vi ordet konsumtion i syfte att beskriva att vi har använt den tillgängliga energin (den producerade energin) på ett sätt som har omvandlat den till en energiform som vi inte längre direkt kan använda oss av för tekniska processer, i alla fall inte med lätthet. Diskutera förnyelsebara och icke-förnyelsebara energikällor och vad dessa begrepp betyder. Det är vanligt att solceller förväxlas med solfångare. Solceller alstrar elektricitet medan solfångare helt enkelt är behållare med vatten som bestrålas av solljus, varmed vattnet i behållarna värms upp och kan användas till att duscha och bada i, samt användas till 21