Küresel Isınmaya Elektrokimyasal Çözümler

Koç Üniversitesi, bilimin gelişmesini teşvik etmek amacıyla Türkiye’nin yetiştirdiği yurt içinde veya dışında evrensel bilgi birikimine katkıda bulunan başarılı ve öncü bilim insanlarını ödüllendirmek üzere, “Koç Üniversitesi Rahmi M. Koç Bilim Madalyası” programını başlattı. Bu yıl yedincisi verilen ödül, “Fen, Mühendislik ve Tıp” alanında tüm dünyada ses getiren çalışmaları ile Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden (MIT) Prof. Dr. Bilge Yıldız’ın oldu.

Biz de Bilge Yıldız ile bu özel ödülü kazanmasında önemli rol oynayan araştırmalarını, yürüttüğü çalışmaları ve geleceğe ilişkin planlarını konuştuk.

KURIOUS – Karbon dioksitin katı yakıt hücreleri ile elektrolizi gibi çevre sorunlarına da çare olabilecek projeleriniz var. Elektroliz bilinen bir yöntem, peki siz herkesten farklı ne yapıyorsunuz?

Bilge Yıldız – Elektroliz iki yüz yıldan fazla zamandır, katı oksit elektrolizi de yine uzun süredir çalışılan yöntemler. Ama hem malzemelerin elektrokimyasal özelliklerini geliştirmemiz gerekiyor hem de dayanıklılıklarını artırmamız gerekiyor ki, bu teknoloji daha enerji verimli ve daha ekonomik olsun. İşte biz de bu konulara katkıda bulunmaya çalışıyoruz; bu malzemelerin nasıl çalıştığını ya da çalışmadığını daha iyi anlamak, buna göre de malzemenin kimyasını ve atomik yapısını geliştirmekle uğraşıyoruz. Yani bizim katkımız bu teknolojideki malzemeyi ilerletmeye yönelik.

Enerjinin dönüştürülmesi ve depolanması gibi günümüzün önemli sorunlarından birine yönelik ne tür çalışmalarınız var? Enerji verimliliğini artırmak ve dolayısıyla çevre korumaya yönelik nasıl çözümler üretmeyi amaçlıyorsunuz?

Enerji çevrimi ile ilgili çalışmalarımızın çoğu katı oksit yakıt hücreleri ya da katı oksit elektroliz hücreleri üzerine. Biz bu teknolojilerin karbondioksit (CO₂) yaymadan yapılan temiz hidrojen üretiminde ve ayrıca gübre sentezinde kullandığımız amonyak ve plastiklerin öncü maddesi olan etilenin de, CO₂ yaymadan sentezini ilerletmek için yeni malzeme, ara yüzey, yüzey kimyası üzerine çalışıyoruz. Başka bir deyişle bu sentezlemeyi daha enerji verimli ve daha dayanıklı malzemelerle yapabilmeyi istiyoruz. Aynı zamanda hidrojeni elektrik üretmek için de kullanabiliriz ve aynı platformu bu yönde de geliştirmeye çalışıyoruz. Temiz yakıt olarak hidrojen kullanımı yani elektrokimyayla kimyasal enerjinin elektriğe dönüşümü, fosil yakıtlara göre daha verimlidir. İki reaksiyon birbirinin tersi gibi görünüyor: Suya elektrik verip hidrojen ve oksijen elde ediyoruz, ya da tersi, hidrojen ve oksijen verip elektrik ve su üretiyoruz. Her ne kadar reaksiyon tersinir gibi görünse de, malzeme o şekilde tersinir tepki vermiyor. Bu nedenle iki yönde de iyi çalışabilecek ara yüzey kimyası geliştirmek önemli, biz de bu amaca katkıda bulunuyoruz.

Enerjinin depolanması içinse, kullandığımız lityum iyon pillere göre daha uzun menzilli ve daha güvenilir piller geliştirmeye çalışıyoruz. Bildiğiniz gibi şu anda kullandığımız piller biraz ısındıklarında ya da kaçak yaptıklarında yangın riski doğar. Bunu engellemek için sıvı ve organik olan elektroliti, katı ve inorganik madde ile değiştirmek istiyoruz. Bunlara katı elektrolit pilleri deniyor. Her ne kadar bu elektrolit malzemeleri geliştirilmiş olsa da, bu tür piller şu an sanayide bulunmuyor çünkü elektrolitle katot ve anot malzemelerinin ara yüzeylerinde yüksek direnç meydana geliyor. Bu direncin kaynakları olabilecek, malzemenin sentezi ya da elektrokimyasal fonksiyonu sırasında oluşan yapıların nasıl bastırılabileceğini anlamaya yönelik çalışmalar yapıyoruz.

İnsan beyninden esinlenerek enerji verimli bilgi-işlem donanım cihazları üretmek üzerine bir araştırmanız var. Burada nasıl bir benzeşim kurdunuz ve ne yapmaya çalışıyorsunuz tam olarak?

İnsan beyninden esinlenilen, yapısı pil gibi ama fonksiyonu daha çok biyolojik sinaps gibi olan cihazlar diyebiliriz. Bu çalışmaya başlamadan önce elektronik iletkenliği değişik mekanizmalarla modüle etmek üzerine de çalışmalarım vardı. Bu alana ilk geçişim, bunların çalıştığımız katı yakıt elektroliz hücrelerindeki malzemelerle aynı mekanizmalara dayanması, dolayısıyla bilimsel olarak ortak noktalarının çok olması vasıtasıyla oldu. 2018’de Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde (MIT) IBM ile birlikte çalışmaya başladık. Onlar bana bu fonksiyonu iyonlarla gerçekleştirip gerçekleştiremeyeceğimizi sordular. Ben de o arada hidrojeni diğer malzemelerden elektrokimyasal olarak çıkartmak üzerine çalışıyordum. Hidrojen metal malzemelere girdiğinde onların mekanik özelliklerini bozar ve hidrojen kırılganlığı dediğimiz bir duruma yol açar. Bu durumu bertaraf edebilmek için hidrojeni elektrokimya yardımıyla dışarı pompalayıp malzemeyi yenilemenin ve mekanik özelliklerini tekrar kazandırabilmenin peşindeydik. Ben de hazır metal malzemelerde bunu yapıyoruz acaba diğer çalışmada da iş görür mü diye düşünmeye başladım. Fiziksel mekanizması ve malzemeleri ortak olan ama uygulamada farklılık gösteren cihazlar.

NASA’nın Mars 2020 projesinde de görev aldınız; bu projedeki rolünüzden bahsedebilir misiniz?

Bu çok katılımlı projeden önce de benim diğer projelerimde işbirliği yaptığım ve katı oksit yakıt hücreleri üzerine çalıştığım bir şirket vardı. NASA işbirliğinde CO₂ elektrolizi ile ilgili bu proje fırsatı çıkınca onlar beni de dahil etmek istediler. Bizim laboratuvarımızda küçük boyutlu malzemeler üretilir, oysa onlar bunların büyüklerini, yani kapasitesi amacına uygun büyük hücre ve hatta hücrelerin birleştirilmiş yapılarını üretiyorlar. Biz bu projede onların yaptığı büyük yapıların üzerinde malzemenin CO₂ elektrolizinde ne tür bozulmalara uğradığını ortaya çıkarttık. Ayrıca kendi elektrokimyasal çalışmalarımızla CO₂’in malzemeyi bozmaması için nasıl yöntemler kullanabiliriz diye araştırdık. Sonunda Mars’a giden hücre, bu bilgi birikimiyle geliştirilmiş bir malzeme kombinasyonu oldu. Bu malzemenin oradaki görevi, Mars’ın oksijen barındırmayan atmosferindeki CO₂’i canlıların yaşaması için gerekli olan oksijene çevirmek. İnsansız da olsa, geri dönüşü planlanan bir görev uçuşunun gerektirdiği yakıtı Mars atmosferini kullanarak elde edebilirsiniz bu şekilde. Yani aşamalı olarak gerekli oksijeni yakıt olarak elde etmek için, ya da astronotların bir süre Mars yüzeyinde araştırma yapabilmesi için gerekli oksijeni orada elde etmeleri için kullanılabilir. Şu anda bu hücre Mars’ta oksijen üretiyor. NASA’nın bu amaçlarını karşılaması için, kapasitesinin artırılması gerekecek.

Çalışmalarınızın insanlığa ya da dünyamıza sağladığı ve ileride sağlayacağı katkıları nasıl değerlendirirsiniz?

Küresel ısınmaya temiz teknolojileri geliştirerek çözüm bulmak gerektiğini düşünüyorum. Bu teknolojiler de kendiliğinden gelişmiyor; malzemeyi ve teknolojileri ortaya koyan prosesleri daha iyi anlamamız, gerekli olan malzeme ve tasarımı daha iyi yapabilmemiz için gerekiyor. Fosil yakıttan vazgeçmemiz ya da CO₂’i atmosfere salmamamız lazım. Bu geçişi de anca bilim ve teknoloji ile sağlayabiliriz, bizim de çalışmalarımız buna yönelik. Küresel ısınma sorununda tek bir çözüme bel bağlamak yerine birçok alternatif üzerinden çözüme gitmek en iyisi.

Koç Üniversitesi Rahmi M. Koç Bilim Madalyası’nı aldınız. Ödül almak elbette onur verici, çok prestijli bir şey ama bunun dışında da katkıları oluyordur değil mi araştırmacılara?

Benim için çok önemli bir gurur kaynağı elbette, her ne kadar bilim insanları ödül almak için çalışmasalar da, çalışmalarımızın tanınması ve değer görmesi çok güzel bir duygu. Aynı zamanda bu tür bir tanınırlık aslında çalışmalarımızın etkisinin artmasına ve yeni işbirliklerinin kurulmasına yol açar. Bu ödüller çalışmalarımızın iyi olduğunun bir tür göstergesi de sayıldığı için araştırmalarımıza fon sağlamada da yardımcı olur.

Sizce genç bilim insanlarının en ivedi ihtiyaçları ya da onların yararına olabilecek, atılması gereken en önemli adımlar nelerdir?

Türkiye’de temel eğitimin ne kadar iyi olduğunu bizzat kendim de deneyimledim; dünyanın neresine giderseniz gidin bu temel eğitim konusunda kendinizi eksik hissetmezsiniz. Ama bence gençlere özelikle araştırmaya yönelik daha fazla fırsat verilmesi ve onların cesaretlendirilmesi kısmı Türkiye’de iyileştirilmeye açık. Hem bu cesaret hem de sağlanacak eşit fırsat ortamı sayesinde gençlerimiz çok büyük başarılara imza atabilir. Gençlere de tavsiyem ilgilerini çeken, onları motive eden bir alan bulurlarsa, bu iş zor mudur diye düşünmeden, çekinmeden gözlerini karartıp işe koyulmaları ve ellerinden gelenin en iyisini yapmaya çalışmak olacaktır. Bence yeni işler başarabilmek için biraz “saf iyimser” ve çok çalışkan olmak gerekiyor, ki böylece bir işin zorluklarına değil o işi yapmanın yollarına odaklansınlar.