Morgondagens material är lätt och superstarkt

Ett material som är starkt, lätt och förnybart är attraktivt för tillverkningsindustrin. Nanocellulosa tickar alla boxarna. Nu jobbar forskare på RISE med en stor utmaning: att skala upp tillverkningsprocessen. Det kan ge ytterligare en fördel – lägre pris.

Tegelbyggnaden ser ut som vilket som helst i raden av fastigheter. Insidan är mer originell. Hos forskningsinstitutet Rise i Stockholm finns laboratorier, kontor, labyrinter av korridorer, till och med en rymlig sal med en pappersmaskin i full storlek.

 

– Vi jobbar med hela produktionskedjan, från träflis till nanocellulosa, säger Karl Håkansson, senior forskare.

 

Han öppnar en dörr och kliver in i homogeniseringslabbet. Här förvandlas cellulosa till framtidens material. Forskningsingenjören Åsa Engström rör med en sked i en plastbytta och häller ner en mjölkig massa i en homogenisator. Massan pressas med ett väldigt tryck genom en liten kanal och kommer slutligen ut som nanomaterial i form av en klar gel.

 

– Vi jobbar med att försöka förstå vad som egentligen händer där inne, för att kunna optimera processen, säger Karl Håkansson.

 

Redan på 1980-talet upptäckte forskare att man kan få fram fibriller, små trådlika strukturer, genom att slita sönder cellulosafibrer mekaniskt. Problemet var att tillverkningsprocessen drog enorma mängder energi. Materialet blev därför dyrt och ointressant.

Åsa Engström och Karl Håkansson på forskningsinstitutet Rise jobbar med hela produktionskedjan, från träflis till nanocellulosa.
Åsa Engström och Karl Håkansson på forskningsinstitutet Rise jobbar med hela produktionskedjan, från träflis till nanocellulosa.

Vändningen kom för drygt 15 år sedan. Då tillsatte forskare från bland annat Innventia (numera RISE) ett enzym som mjukade upp fibrerna så att de lättare kunde slitas isär och pressas genom kanalen. Energiförbrukningen sänktes med hela 98 procent. Nanocellulosa blev betydligt billigare att tillverka.

 

– Då såg man potentialen och började fundera på vad vi kan göra med det nya materialet. Ungefär samtidigt kom nano-hajpen, när nya material på nanoskala blev intressanta. Dessutom slutade folk köpa papperstidningar, vilket fick skogsbolagen att investera i det här.

 

Nanocellulosa är både starkt och styvt. Det har låg vikt och bra mekaniska egenskaper. Råvaran är billig, eftersom den bokstavligt talat växer på trän. Att nanocellulosan är biobaserad ger också en miljömässig fördel.

 

– Men ingen köper enbart på att det är hållbart än så länge. Materialet måste vara billigare eller ha någon annan egenskap som är bättre och det beror väldigt mycket på vilken applikation den finns i.

 

Vilka materialegenskaper som är mest lockande – och för vem – är inte så enkelt att svara på. Oftast är det en kombination av nanocellulosans många egenskaper som gör materialet intressant i tillämpningar.

 

– Vi kan sällan säga att den här egenskapen är bra för den här applikationen. Det hade varit väldigt lätt! Just nu är utmaningarna att förstå vad materialet är bra och dåligt på och försöka hitta var det passar bäst.

 

Kan nanocellulosa ersätta något annat material?

– Jag tror att det är svårt, man får titta efter nya applikationer och fördelar först. I långa loppet vill vi ta bort plast. När det här blir tillräckligt moget ska vi nog kunna ersätta många applikationer. Men plast är också bra i många tillämpningar, det är inte önskvärt att ersätta allt.

 

Flera svenska teknikföretag följer utvecklingen kring nanocellulosa, enligt uppgift till t: Ett exempel är ABB, som tittar aktivt på materialet men av sekretesskäl inte kan avslöja hur det är tänkt att användas. Ett annat exempel är Volvo Cars, som tycker att lättviktsaspekten är intressant i ett framtidsperspektiv. I dagsläget är tekniken dock inte tillräckligt mogen och materialet är för dyrt för att det ska vara realistiskt att använda på kort sikt.

 

På andra sidan jordklotet är konkreta saker på gång. I Japan samarbetar 22 universitet, forskningsinstitut och företag med att ta fram en bil gjord av nanocellulosa. Syftet med projektet Nano Cellulose Vehicle är att få fram mer klimatvänliga fordon med lägre vikt och koldioxidutsläpp. Snart får hela världen chans att se konceptbilen. Den ska transportera idrottare under sommarens OS i Tokyo.

Efter att ha pressats med ett väldigt tryck blir cellulosan till ett nanomaterial i form av en klar gel.
Efter att ha pressats med ett väldigt tryck blir cellulosan till ett nanomaterial i form av en klar gel.

Men nanocellulosa existerar inte bara i visioner, planer och forskning.

 

Göteborgsbaserade Cellink utvecklar 3D-skrivare som skriver ut komplicerade vävnadsstrukturer i form av hud, brosk eller ben som kan användas inom medicinsk forskning. Företaget använder nanocellulosa för att tillverka sitt patenterade biobläck.

 

Enligt forsknings- och utvecklingschef Itedale Namro Redwan är inget material lika bra på att printa. Det har fantastiska och unika egenskaper när det kommer till att bibehålla formen efter bioprintningen.

 

När man har printat tillsätter man vätska för att ge cellerna näring och då sväller inte nanocellulosa i samma utsträckning som andra material, säger hon.

 

Hemligheten ligger i de fysikaliska egenskaper som påverkar hur vätskor flyter. Den förmågan gör det möjligt att utsätta materialet för lite stress och tryck utan att det deformerar sig, samtidigt som det bibehåller en skyddande effekt på cellerna under printningen.

 

– Få material i världen har de här unika egenskaperna och är samtidigt säkra att använda i cellapplikationer.

Enligt Cellinks forsknings- och utvecklingschef Itedale Namro Redwan är inget material lika bra på att printa som nanocellulosa.
Enligt Cellinks forsknings- och utvecklingschef Itedale Namro Redwan är inget material lika bra på att printa som nanocellulosa.

Cellinks mål är att erbjuda skrivare och biobläck som hjälper forskare inom hälso- och sjukvård att utveckla nya metoder för biomedicin och läkemedel. Itedale Namro Redwan är säker på att nanocellulosa kommer att få en ökad betydelse i framtiden.

 

– Vi tror att materialet kommer att ha en stor roll i medical device-utveckling, men även sårförband. Man kan till exempel printa väldigt anpassade förband till patienter med allvarliga brännskador.

 

Ser du några begränsningar?

– Jag tycker att nanocellulosan fortfarande är lite dyr, speciellt om man ska använda den i den rena form som vi behöver för hälso- och sjukvårdsapplikationer.

Forskaren Karl Håkansson har hunnit till ännu ett av alla rum på Rise och stannar till vid en maskin kan spinna trådar av nanocellulosa. De är starkare än spindelväv, som tidigare ansågs som naturens starkaste material.

 

Vi jobbar med en helt ny process, filamentspinning, för att tillverka trådar. Än saknas steg i produktionen, dels att få fram material som man kan testa och dels att visa att det är en ekonomiskt försvarbar process. Där är utmaningarna.

 

Han har studerat teknisk fysik på Chalmers, specialiserat på nanoteknologi, och doktorerat inom strömningsmekanik på Kungliga Tekniska Högskolan (KTH). Där startade de första försöken med att spinna trådar.

 

På RISE ägnar sig Karl Håkansson åt nanocellulosa i många tillämpningar, men han har fortsatt att ägna sig åt forskning kring spinning tillsammans med KTH. I framtiden kan nanocellulosatrådarna användas i komponenter som behöver vara både starka och lätta, egenskaper som är hett eftertraktade inom till exempel flyg- och bilindustrin.

 

– Det är svårt att blanda in nanocellulosa i kompositer, de små fibrillerna klumpar ihop sig. Men när man gör filament först blir det jättelätt att till exempel väva en matta som man därefter kan göra en komposit av.

 

Det behövs mycket material för att testa fibrernas egenskaper i applikationer. RISE jobbar med att modifiera tillverkningsprocessen, så att produktion ska kunna göras industriellt. Redan nu har forskningsinstitutet visat att det går att producera material kontinuerligt.

 

– Nu kan vi börja göra tester som är relevanta för industrin. Det finns definitivt ett intresse. Men vi måste fortsätta utvecklingen med att producera mer material, billigare.

Cellink skriver ut komplicerade vävnadsstrukturer i form av hud, brosk eller ben som kan användas inom medicinsk forskning.
Cellink skriver ut komplicerade vävnadsstrukturer i form av hud, brosk eller ben som kan användas inom medicinsk forskning.

Tror du att nanocellulosa kommer att användas på bred front i tillverkningsindustrin?

– Ja. Vårt jobb som forskningsinstitut är att fånga upp de verkliga behoven och än har jag inte hört något som motsäger det.

 

Just nu forskar Karl Håkansson på biobaserad elektronik och försöker hitta svaren på vad cellulosan kan bidra med i batterier och olika typer av sensorer. Teamet jobbar också med att spinna filamentfibrer som kan lagra och generera energi – det betyder att vi skulle kunna ladda telefonen med elektrisk energi som alstras i tröjan via kroppens rörelser.

 

–Vi tittar även på förpackningar, eftersom vi skickar så mycket paket i dag. För att hålla koll på temperatur, var paketet är och om den blivit skadad behöver man energi till ett batteri för att hålla reda på alla sensorer. Det tror vi på i framtiden.

 

Men framtiden skulle egentligen redan kunnat vara här. Upptäckten närmar sig 40 år. Då såg behovet av hållbara material och att hushålla med både energi och pengar inte ut som i dag. Samhällsutmaningar driver utvecklingen framåt. Samtidigt kan gamla traditioner inom företag hålla den tillbaka.

 

– Men många inser att det går snabbare och snabbare. Det är svårt att leva i samma industri så länge som man gjort tidigare, man måste vara i framkant med många saker, säger Karl Håkansson.

Publicerad mars 2020

Text

Minna Ulin

Foto

Sofia Sabel