Semmi sem működik kémia nélkül - WELT
2011 a kémia nemzetközi éve. A szakterületet félreértés érzi, és most a legjobb oldaláról akarja bemutatni magát
A kémiai reakciók kulcsfontosságú szerepet játszanak a villamos energia előállításában és tárolásában
Az egyik nagyszerű vízió a növények fotoszintézisének technikai megismétlése
Amikor tavaly októberben az alumíniumgyár hulladéklerakójából származó maró és mérgező vörösiszap ömlött a falvakra és mezőkre Magyarországon, egy dolog ismét egyértelműnek tűnt: a kémia csak egy nagy rendetlenség. Még évtizedekkel a sevesói és a bhopali katasztrófák után is sokan nem fogadják jól ezt a tudományt.
A kémia imázsa javulhat ebben az évben, mivel az ENSZ Oktatási, Tudományos és Kulturális Szervezete a kémia nemzetközi évét 2011-ben nyilvánította. Az Unesco egy olyan tudományra kívánja irányítani a figyelmet, amelyet általában alábecsülnek, és néha tévesen tekintenek kritikusan. Nem igaz, hogy sokat köszönhetünk a kémiai anyagoknak: antibiotikumok, autófesték, sampon, hőszigetelés, teflon, golyóálló mellények, műtrágyák, szuper ragasztó, tévéképernyők, háztartási tisztítószerek, motorolaj, számítógépes chipek, papír és akkumulátorok - csak egy Hogy példákat mondjak. A Kémia Nemzetközi Évének német nyitóeseményén Michael Dröscher, a Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) elnöke múlt szerdán, Berlinben azt mondta: "A termékekben piacra kerülő összes anyag kétharmadát a vegyipar fejlesztette ki."
Nem kérdés, a kémia szinte mindenhol megtalálható - még ott is, ahol nincs kifejezetten megfogalmazva. Vegyünk például energiát: Olyan jövőt terveznek, amelyben a fosszilis üzemanyagok már nem játszanak alapvető szerepet, amelyben az elektromos autókat akkumulátorokból táplálják, és a megújuló nyersanyagok biztosítják a fűtéshez szükséges gázt. A kémia központi szerepet játszik ebben a jövőben. Angela Merkel kancellár még egy önjáró autóban is reménykedik: "Álmom van arról, hogy az autófesték egyszer egyetlen napelem lesz" - mondta szerdán a kémiai év kezdetén.
Amikor az innovatív energiatechnológiák témája a nano-, anyag- vagy folyamattechnika, ott általában a vegyészek végzik az alapvető munkát - például a hibrid és elektromos autók akkumulátorainak továbbfejlesztése terén. Ha az akkumulátorok több mint 50 kilométeres távolságra akarják mozgatni az autót, akkor a viszonylag olcsó nikkel-fém-hidrid akkumulátorokat lítium-ion akkumulátorokra kell cserélni, amelyek kilogrammonként több mint kétszer akkora tárolókapacitással rendelkeznek. Ezek azonban lényegesen drágábbak, és élettartamuk meglehetősen szerény.
A mérnökök és a vegyészek ezért erősebb akkumulátorok kifejlesztésén akarnak együttműködni. A ma kapható lítiumelemekben az energia a negatív elektród közelében lévő lítium atomokban van. Ezek az atomok grafitba vannak ágyazva - abból az anyagból, amelyből a ceruza vezet. A pozitív elektróda lítium-kobalt-oxidból készül.
A vegyészek azonban már tesztelik az elektródák alternatív anyagait. Ennek célja, hogy az elérhető feszültséget 3,5-ről 5 voltra növelje, és növelje a tárolható energia mennyiségét. Ugyanakkor az elemeknek hosszabb ideig kell élniük, és csökkenteniük kell a gyártási költségeket. A negatív elektródhoz a kutatók egy kis szilíciumport adnak a grafithoz. Ez nyilván azt jelenti, hogy több lítiumion tárolható. A jövőben szulfidokat, azaz kénvegyületeket már nem használnak a pozitív póluson.
Elképzelhetőek teljesen új akkumulátorok is, amelyek - legalábbis elméletileg - többszörösen nagyobb energiasűrűséget tehetnek lehetővé. Kutatást végeznek például olyan lítium-levegő akkumulátorokkal, amelyekben a pozitív (korábban fémoxidból készült) elektródát porózus szénréteg váltja fel, amelyet levegő önt át. Ilyen típusú akkumulátorral a kisülés során az anódhoz vándorló lítiumionok reagálnak a levegőben lévő oxigénnel. Ez a folyamat hatalmas energiasűrűséget ígér, akár 1000 wattóra kilogrammonként. De valószínűleg legalább tíz évbe telik, mire készen áll a sorozatgyártásra.
A hatékonyabb energiatárolás megtalálása nemcsak a vegyészek feladata. Az energiatermelés okos kémia révén is javítható - például a szélturbinákban. A ma akár 50 méter hosszú rotorlapátok a jövőben 100 méterre nőnek, főleg az offshore rendszerek esetében. Ekkor az energiahozam majdnem megnégyszereződik. Ehhez azonban a rotor anyagában lévő könnyű műgyantákat új típusú szálakkal kell felszerelni, amelyek tovább növelik szilárdságukat. Jelenleg többnyire üvegszálas szőnyegeket tartalmaznak (GRP, üvegszállal erősített műanyagok). Az első, nagyteljesítményű szénszálakkal megerősített rotorokat már szállítják. A következő generáció szén nanocsövekből készült szálakat fog tartalmazni. A "szén nanocsövek" (CNT) még jobban megakadályozzák a szintetikus gyanta repedéseit nagy terhelések mellett, és a rotorok tovább növekedhetnek. Ily módon egyetlen szélturbina teljesítménye tíz megawattra növelhető.
Az új anyagokra való áttérés szintén hatékonyabbá teszi a napelemeket - és egyúttal csökkenti az árakat. A mai napelemek általában alig 0,2 milliméter vastag szilíciumrétegekből állnak. Vékonyrétegű napelemekben a fényelnyelő réteg akár 100-szor is vékonyabb. Ezután a gallium-arsenid vagy a kadmium-tellurid anyagaiból állnak. A vékony rétegeket vagy gőzzel lerakják, vagy a tintasugaras nyomtató elve szerint rendkívül finom cseppekben permetezik. A termelés olcsóbb és erőforrás-hatékonyabb, mert körülbelül egy év után - a korábbi három helyett - amortizálódik a termelés energiafogyasztása. A tintasugaras technológia alkalmazásával azonban a generátorok számára rugalmas támaszok is előállíthatók.
Az úgynevezett szerves napelemekben teljesen más anyagosztályt használnak: műanyagokat - amelyeket vegyészek polimereknek is neveznek. Valójában vannak olyan félvezető műanyagok is, amelyek fény hatására elektronokat szabadíthatnak fel. A műanyagból készült napelemek olcsó gyártást, nagy területű formátumokat, nagyobb környezeti kompatibilitást, könnyű kezelhetőséget és a napfény színspektrumához való jó alkalmazkodást ígérnek. Ily módon magas szintű hatékonyság érhető el.
Ebből a célból a vegyészek hosszú szénláncú és gyűrűs rendszerű polimereket kutatnak, amelyekben a szénatomok között egyszeres és kettős kötések váltakoznak. Ilyen anyagokban vannak olyan mobil elektronok, amelyek képesek áramot vezetni. A fénysugárzás szabadon mozgatható töltéshordozókat és feszültséget hozhat létre. Kísérleteznek olyan polimerekkel is, amelyek kombinálhatók futball-labda alakú széngömbökkel.
A szerves napelemek ígéreteit azonban még nem tartották be: hatékonyságuk csak fele a szilíciumé, és még ez az érték sem marad stabil. Idővel egyre rosszabbá válik. A költségelőny szintén továbbra is fikció. De ha a gyártás néhány év múlva valóban elkezdődik, akkor valószínűleg itt is bekövetkezik a csúcstechnológiai termékek szokásos árcsökkenése.
Az akkumulátorok mellett a jövőben valószínűleg nagy energiájú gázok, például hidrogén is szerepet játszanak vegyi energiatárolóként. Már elektrolízissel is előállítható vízből, de ennek csak akkor van értelme, ha túlzott a villamos energia. Sokkal elegánsabb és hatékonyabb lenne a növények fotoszintézisének technikai utánzása. Ferdi Schüth, a Mülheim an der Ruhr-i Max Planck Szénkutató Intézet igazgatója ezt a jövőképet látja: "A nagy álom az lenne, ha hidrogént készítenénk vízből és fényből. Egyszerűen csak porot szórunk a vízbe, és a hidrogén buborékok kiáramlanak. . " Ezen dolgozunk.
Az "OLED-ek", a polimer napelemek kémiai rokonai, sokkal előrébb tartanak. Az OLED-ek szerves fénykibocsátó diódák. Szénhidrogéneken alapuló vékony félvezetőket tartalmaznak. De a fényt nem villamos energiává, hanem villannyá változtatják, és ez már néhány okostelefon kijelzőjén megjelenik. A fénykibocsátó diódák sokkal hatékonyabban ragyognak, mint az izzók, és - az energiatakarékos lámpákkal ellentétben - nem tartalmaznak higanyt. A fénykibocsátó diódák a fényforrások következő generációja.
A szerves fénykibocsátó diódák teljesen új világítási élményt nyújtanak. Mivel rugalmas felületre nagy felületen kinyomtathatók, elektronikus papír, világos csempék és háttérképek lesznek, amelyek színe folyamatosan változtatható. A kijelzőkkel ragyogó képeket biztosítanak.
Ennek a technológiának a fő problémája azonban továbbra is az elégtelen tartósság. Az OLED-eket már használják egyes okostelefonok kijelzőin, de a hosszú eltarthatóság másodlagos jelentőségű ebben az alkalmazásban - ezeket az eszközöket egyébként két-négy év után kicserélik.
Számos egyéb energiatakarékos újítás található a vegyi laboratóriumokban. Néhány példa: A könnyű építőanyagok csökkentik a repülőgép- és járműgyártás súlyát és üzemanyag-fogyasztását. A benzin-adalékok lehetővé teszik a motorok gazdaságos, maradék nélkül történő, alacsony károsanyag-kibocsátású járását. A megfelelő gumikeverék az autógumikban csökkenti a gördülési ellenállást és az üzemanyag-fogyasztást. A jövőbeli félvezető anyagokból készült hőelektromos generátorok az autó kipufogógázainak hőjéből áramot termelnek, és így táplálják az akkumulátort. A házfalak látens hőakkumulátorai pufferolják a nyári hőt, mivel a nap melegsége megolvasztja a viaszgömböket, és éjszaka ismét megszilárdítja a viaszt. Az "Aerogels" szintén kiváló hőszigetelő anyagok. Millió négyzetcentiméterenként millió apró, levegővel töltött pórust tartalmaznak, de átengedik a fényt, ami új tervezési ötleteket adhat az építészeknek.
Magában a vegyiparban is vannak olyan szereplők, akik hozzájárulnak az energiahatékonysághoz - hangsúlyozza Dröscher, a GDCh elnöke: a katalizátorok. Előállításukhoz a vegyi termékek több mint 80 százalékára van szükségük. A katalizátorok lehetővé teszik a kémiai reakciókat, vagy legalábbis felgyorsítják azokat. Ez jelentősen csökkentheti a gyártási folyamat energiafogyasztását. Csökkentett energiafogyasztással mozgásba hozzák a reakciókat és biztosítják, hogy kevesebb nemkívánatos melléktermék keletkezzen. Manfred Ritz, a Vegyipari Ipartestület szövetsége adja meg fiókja növekvő erőforrás-hatékonyságának adatait: "1990 és 2009 között a vegyipar ebben az országban 42 százalékkal növelte a termelést. Ugyanakkor 33 százalékkal, az üvegházhatású gázok mennyiségével pedig 48 százalékkal emelte az energiát. leengedve. " Nézzük meg, hogy a vegyipar ilyen tényekkel valóban javíthatja-e az idei imázsát.