Bez chémie nič nefunguje

Rok 2011 je Medzinárodným rokom chémie. Odborná disciplína sa cíti nepochopená a teraz sa chce prezentovať zo svojej najlepšej stránky

Chemické reakcie zohrávajú kľúčovú úlohu pri výrobe a skladovaní elektriny

Jednou z veľkých vízií je technická replikácia fotosyntézy rastlín

Keď sa vlani v októbri vylial na maďarské dediny a polia korozívne a toxické červené bahno zo skládky továrne na hliník, jedna vec sa zdala byť opäť úplne jasná: chémia je len veľký neporiadok. Dokonca ani desaťročia po katastrofách v Seveso a Bhopale táto veda nie je mnohými dobre prijatá.

Obraz chémie sa môže tento rok zlepšiť, pretože organizácia OSN pre vzdelávanie, vedu a kultúru vyhlásila Medzinárodný rok chémie 2011. UNESCO chce zamerať pozornosť na vedu, ktorá je všeobecne podceňovaná a niekedy nesprávne kriticky hodnotená. Nie je pravda, že vďačíme veľa chémii: antibiotikám, autolakom, šampónom, tepelnej izolácii, teflónu, nepriestrelným vestám, hnojivám, superlepidlám, televíznym obrazovkám, čistiacim prostriedkom pre domácnosť, motorovým olejom, počítačovým čipom, papieru a batériám - iba jednému Uviesť príklady. Na nemeckom otváracom podujatí k Medzinárodnému roku chémie Michael Dröscher, prezident Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh), minulú stredu v Berlíne uviedol: „Dve tretiny všetkých materiálov, ktoré prichádzajú na trh s výrobkami, vyvinul chemický priemysel.“

O tom niet pochýb, chémiu nájdete takmer všade - aj tam, kde to nie je výslovne uvedené. Vezmime si napríklad energiu: Existujú plány do budúcnosti, v ktorej už nebudú hrať zásadnú úlohu fosílne palivá, v ktorej sú elektromobily poháňané elektrinou z batérií a obnoviteľné suroviny zabezpečujú plyn na vykurovanie. Chémia hrá v tomto budúcom scenári ústrednú úlohu. Kancelárka Angela Merkelová dokonca dúfa v auto s vlastným pohonom: „Mám sen, že z laku jedného dňa bude jeden solárny článok,“ uviedla v stredu na začiatku chemického roka.

Pokiaľ je témou inovatívnych energetických technológií nano, materiálová alebo procesná technológia, sú to väčšinou chemici, ktorí tu vykonávajú základnú prácu - napríklad pri ďalšom vývoji batérií pre hybridné a elektrické automobily. Ak majú batérie posunúť vozidlo o viac ako 50 kilometrov, musia byť porovnateľne lacné nikel-metal hydridové batérie nahradené lítium-iónovými batériami, ktoré poskytujú viac ako dvakrát väčšiu kapacitu na kilogram. Sú však podstatne nákladnejšie a ich životnosť je pomerne skromná.

Inžinieri a chemici preto chcú spolupracovať na vývoji výkonnejších batérií. V dnes dostupných lítiových batériách je energia v atómoch lítia v blízkosti zápornej elektródy. Tieto atómy sú zaliate do grafitu - materiálu, z ktorého sú vyrobené ceruzky. Kladná elektróda je vyrobená z oxidu lítneho a kobaltu.

Chemici však už testujú alternatívne materiály pre elektródy. Cieľom je zvýšiť dosiahnuteľné napätie z 3,5 na 5 voltov a zvýšiť množstvo energie, ktoré je možné uložiť. Batérie by zároveň mali vydržať dlhšie a výrobné náklady by sa mali znížiť. V prípade zápornej elektródy vedci pridali do grafitu trochu kremíkového prášku. To zjavne znamená, že je možné uložiť viac iónov lítia. V budúcnosti sa už nebudú na kladnom póle používať sulfidy, teda zlúčeniny síry.

Možné sú aj úplne nové konštrukcie batérií, ktoré by - aspoň teoreticky - mohli umožniť niekoľkonásobne vyššiu hustotu energie. Výskum sa vykonáva napríklad na lítium-vzduchových batériách, v ktorých je kladná elektróda (predtým vyrobená z oxidu kovu) nahradená pórovitou vrstvou uhlíka, ktorá je prepláchnutá vzduchom. S týmto typom batérie reagujú lítne ióny migrujúce na anódu počas vybitia s kyslíkom vo vzduchu. Tento proces sľubuje obrovské hustoty energie až 1 000 watthodín na kilogram. Pravdepodobne však bude trvať minimálne desať rokov, kým bude pripravená na sériovú výrobu.

Nájsť efektívnejšie skladovanie energie nie je iba prácou chemikov. Výroba energie sa dá vylepšiť aj šikovnou chémiou - napríklad vo veterných turbínach. Listy rotora, ktoré sú dnes dlhé až 50 metrov, majú v budúcnosti dorásť do výšky 100 metrov, najmä v prípade pobrežných systémov. Potom je energetický výnos takmer štvornásobný. K tomu však musia byť ľahké syntetické živice v materiáloch rotora vybavené novými typmi vlákien, ktoré ďalej zvyšujú ich pevnosť. V súčasnosti väčšinou obsahujú rohože zo sklenených vlákien (GRP, plasty vystužené sklenenými vláknami). Prvé rotory, ktoré sú navyše vystužené vysokovýkonnými uhlíkovými vláknami, sa už dodávajú. Budúca generácia bude obsahovať vlákna vyrobené z uhlíkových nanorúrok. „Uhlíkové nanorúrky“ (CNT) pri vysokom zaťažení ešte lepšie zastavujú trhliny v syntetickej živici a rotory môžu ďalej rásť. Týmto spôsobom možno zvýšiť výkon jednej veternej turbíny na desať megawattov.

Prechod na nové materiály zefektívňuje aj solárne články - a zároveň klesá cena. Dnešné solárne články zvyčajne pozostávajú z vrstiev kremíka, ktoré sú hrubé len necelých 0,2 milimetra. V tenkovrstvových solárnych článkoch je vrstva absorbujúca svetlo dokonca stokrát tenšia. Pozostávajú potom z materiálov arzenid gálnatý alebo telurid kademnatý. Tenké vrstvy sa buď nanášajú parami, alebo sa podľa princípu atramentovej tlačiarne nastriekajú na extrémne jemné kvapôčky. Výroba je lacnejšia a efektívnejšia z hľadiska zdrojov, pretože po približne jednom roku - namiesto troch predtým - sa spotreba energie pri výrobe amortizuje. Pomocou atramentovej technológie však možno vyrobiť aj flexibilné podpery pre generátory.

V takzvaných organických solárnych článkoch sa používa úplne iná trieda materiálov: plasty - chemici tiež nazývané polyméry. V skutočnosti existujú aj polovodivé plasty, ktoré môžu pri vystavení svetlu uvoľňovať elektróny. Solárne články vyrobené z plastu sľubujú lacnú výrobu, veľkoplošné formáty, väčšiu ekologickú kompatibilitu, ľahkú manipuláciu a dobré prispôsobenie farebnému spektru slnečného žiarenia. Týmto spôsobom je možné dosiahnuť vysokú úroveň účinnosti.

Z tohto dôvodu chemici skúmajú polyméry s dlhými uhlíkovými reťazcami a kruhovými systémami, v ktorých sa striedajú jednoduché a dvojité väzby medzi atómami uhlíka. V takýchto materiáloch sú mobilné elektróny, ktoré môžu viesť elektrinu. Žiarenie svetla môže vytvárať voľne pohyblivé nosiče náboja a napätie. Experimentujú tiež s polymérmi, ktoré je možné kombinovať s uhlíkovými guľami v tvare futbalovej lopty.

Sľuby organických solárnych článkov však ešte neboli dodržané: ich účinnosť je iba polovičná oproti kremíku a ani táto hodnota nezostáva stabilná. Postupom času sa to zhoršuje a zhoršuje. Nákladová výhoda je tiež stále len fikciou. Ak by sa však výroba mala skutočne začať o niekoľko rokov, pravdepodobne aj tu dôjde k obvyklému poklesu cien produktov špičkovej technológie.

Okrem batérií budú v budúcnosti pravdepodobne hrať úlohu vysokoenergetické plyny ako vodík. Môže sa už vyrábať z vody pomocou elektrolýzy, ale má to zmysel iba vtedy, ak je jej prebytok. Oveľa elegantnejšie a efektívnejšie by bolo technicky napodobňovať fotosyntézu rastlín. Ferdi Schüth, riaditeľ Inštitútu Maxa Plancka pre výskum uhlia v Mülheim an der Ruhr, má túto víziu: "Veľkým snom by bolo vyrábať vodík z vody a svetla. Stačí, ak do vody jednoducho nasypete prášok a vodík bublá von." . “ Na tom pracujeme.

„OLED“, chemické príbuzné polymérnych solárnych článkov, sú oveľa ďalej. OLED sú organické diódy vyžarujúce svetlo. Obsahujú tenké polovodiče na báze uhľovodíkov. Ale nepremenia svetlo na elektrinu, ale z elektriny na svetlo, a to už na displejoch niektorých smartfónov. Diódy vyžarujúce svetlo svietia oveľa efektívnejšie ako žiarovky a na rozdiel od úsporných žiaroviek neobsahujú žiadnu ortuť. Svetelné diódy sú ďalšou generáciou svetelných zdrojov.

Organické svetlo emitujúce diódy umožňujú úplne nový svetelný zážitok. Pretože je možné ich na veľkú plochu potlačiť na pružné podklady, bude k dispozícii elektronický papier, ľahké dlaždice a tapety, ktorých farbu je možné neustále meniť. Vďaka displejom zaistia brilantný obraz.

Hlavným problémom tejto technológie však stále zostáva nedostatočná odolnosť. OLED sa už používajú na niektorých displejoch smartphonov, ale dlhá životnosť má v tejto aplikácii druhoradý význam - tieto zariadenia sa každopádne vymenia po dvoch až štyroch rokoch.

Existuje mnoho ďalších inovácií v úspore energie od chemických laboratórií. Niekoľko príkladov: Ľahké stavebné materiály znižujú hmotnosť a spotrebu paliva v konštrukcii lietadiel a vozidiel. Benzínové prísady umožňujú hospodárny chod motora bez zanechania zvyškov a s nízkymi emisiami. Správna zmes gumy v pneumatikách automobilov znižuje valivý odpor a spotrebu paliva. Budúce termoelektrické generátory vyrobené z polovodičových materiálov budú vyrábať elektrinu z tepla výfukových plynov automobilov a tým napájať batériu. Latentné tepelné akumulátory v stenách domu tlmia letné teplo tým, že denné teplo topí voskové guľôčky a vosk opäť tuhne. „Aerogély“ sú tiež vynikajúcimi tepelnoizolačnými materiálmi. Obsahujú milióny drobných vzduchom naplnených pórov na centimeter štvorcový, ale umožňujú priechod svetla, čo by architektom mohlo dať nové dizajnérske nápady.

Aj v chemickom priemysle existujú subjekty, ktoré prispievajú k energetickej účinnosti, zdôrazňuje predseda GDCh Dröscher: katalyzátory. Na svoju výrobu potrebujú viac ako 80 percent chemických výrobkov. Katalyzátory umožňujú chemické reakcie alebo ich aspoň urýchľujú. To môže výrazne znížiť spotrebu energie vo výrobnom procese. Pri zníženej spotrebe energie uvádzajú do pohybu reakcie a zaisťujú, že sa vytvorí menej nežiaducich vedľajších produktov. Manfred Ritz zo Zväzu chemického priemyslu poskytuje údaje o zvyšovaní efektívnosti využívania zdrojov vo svojom odbore: "Chemický priemysel v tejto krajine v rokoch 1990 až 2009 zvýšil produkciu o 42 percent. Zároveň spotreboval energiu o 33 percent a množstvo skleníkových plynov o 48 percent. znížil. “ Pozrime sa, či chemický priemysel môže takýmito skutočnosťami tento rok skutočne vylepšiť svoj imidž.