Ништо не работи без хемија - ВЕЛТ
2011 година е меѓународна година на хемија. Специјалистичката дисциплина се чувствува неразбрана и сега сака да се претстави од својата најдобра страна
Хемиските реакции играат клучна улога во создавањето и складирањето на електрична енергија
Една од одличните визии е техничката репликација на фотосинтезата на растенијата
Кога минатиот октомври корозивна и токсична црвена кал од депонијата на фабриката за алуминиум се прелеа над селата и полињата во Унгарија, едно се чинеше дека едно е уште еднаш јасно: хемијата е само голем хаос. Дури и неколку децении по катастрофите во Севесо и Бопал, многумина не ја прифаќаат добро оваа наука.
Сликата за хемијата може да се подобри оваа година, бидејќи организацијата на ООН за образование, наука и култура ја прогласи меѓународната година на хемијата 2011 година. УНЕСКО сака да го насочи центарот на вниманието кон наука која е генерално потценета и понекогаш погрешно се гледа критички. Зарем не е вистина дека и должиме бесконечна сума пари на хемијата: антибиотици, автомобилска боја, шампон, топлинска изолација, тефлон, елеци отпорни на куршуми, ѓубрива, суперлепак, ТВ-екрани, средства за чистење домаќинства, моторно масло, компјутерски чипови, хартија и батерии - само една Да дадам примери. На манифестацијата на отворањето на Германците за Меѓународната година на хемијата, Михаел Дрошер, претседател на Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh), минатата среда во Берлин рече: „Две третини од сите материјали што излегуваат на пазарот на производи се развиени од хемиската индустрија“.
Без прашање во врска со тоа, хемијата може да се најде скоро насекаде - дури и таму каде што не е експлицитно наведено на неа. Земете енергија, на пример: Постојат планови за иднина во која фосилните горива повеќе нема да играат суштинска улога, во која електричните автомобили се напојуваат со електрична енергија од батерии и обновливите суровини обезбедуваат гас за греење. Хемијата игра централна улога во ова идно сценарио. Канцеларката Ангела Меркел дури се надева на самооден автомобил: „Имам сон дека бојата на автомобилот еден ден ќе биде единствена соларна ќелија“, рече таа во средата на почетокот на годината на хемијата.
Кога темата на иновативни енергетски технологии е нано, материјална или процесна технологија, обично хемичарите ја вршат основната работа таму - на пример во понатамошниот развој на батериите за хибридни и електрични автомобили. Ако батериите треба да го придвижат автомобилот повеќе од 50 километри, релативно ефтините батерии од никел-метал хидрид треба да се заменат со литиум-јонски батерии, кои нудат повеќе од двојно поголем капацитет за складирање на килограм. Сепак, тие се значително поскапи и нивниот животен век е прилично скромен.
Инженерите и хемичарите затоа сакаат да работат заедно за да развијат помоќни батерии. Во литиумските батерии достапни денес, енергијата е во атомите на литиум во близина на негативната електрода. Овие атоми се вградени во графит - материјалот од кој се извлекуваат моливките. Позитивната електрода е изработена од оксид на литиум кобалт.
Сепак, хемичарите веќе тестираат алтернативни материјали за електродите. Ова е наменето да го зголеми достигнатиот напон од 3,5 на 5 волти и да ја зголеми количината на енергија што може да се складира. Во исто време, батериите треба да траат подолго и трошоците за производство треба да се намалат. Во случај на негативна електрода, истражувачите додаваат малку силициумски прав во графитот. Ова очигледно значи дека може да се складираат повеќе јони на литиум. Во иднина, сулфидите, т.е. соединенијата на сулфур, повеќе нема да се користат на позитивниот пол.
Замисливи се и комплетно нови дизајни на батерии, кои - барем во теорија - би можеле да овозможат неколку пати поголема густина на енергија. На пример, се спроведува истражување на литиум-воздушни батерии во кои позитивната електрода (претходно изработена од метален оксид) се заменува со порозен слој на јаглерод кој се испушта преку воздух. Со овој тип на батерија, литиумските јони мигрираат кон анодата при празнење реагираат со кислородот во воздухот. Овој процес ветува огромна густина на енергија до 1000 вати часови за килограм. Но, веројатно ќе бидат потребни најмалку десет години пред да биде подготвен за сериско производство.
Наоѓањето на поефикасно складирање на енергија не е работа само за хемичарите. Генерирањето на енергија исто така може да се подобри преку паметна хемија - на пример во турбини на ветер. Ножевите на роторот, кои денес се долги до 50 метри, во иднина треба да пораснат на 100 метри, особено за оф-шор системите. Тогаш приносот на енергија скоро се зголеми за четири пати. За да го направите ова, сепак, лесните синтетички смоли во материјалите на роторот треба да бидат опремени со нови видови на влакна што дополнително ја зголемуваат нивната јачина. Во моментот тие претежно содржат душеци од стаклени влакна (GRP, пластика засилена со стаклени влакна). Првите ротори, кои се дополнително засилени со јаглеродни влакна со високи перформанси, веќе се испорачуваат. Следната генерација ќе содржи влакна направени од јаглеродни наноцевки. „Јаглеродните наноцевки“ (CNT) ги запираат пукнатините во синтетичката смола уште подобро под големи оптоварувања, а роторите можат да продолжат да растат. На овој начин, излезот на една единствена ветерна турбина може да се зголеми на десет мегавати.
Преминувањето кон нови материјали, исто така, ги прави соларните ќелии поефикасни - и истовремено ги намалува цените. Денешните соларни ќелии обично се состојат од силиконски слоеви кои се дебели нешто под 0,2 милиметри. Во сончевите ќелии со тенок филм, слојот што апсорбира светлина е дури 100 пати потенок. Потоа се состојат од материјали галиум арсенид или кадмиум телурид. Тенките слоеви се депонираат на пареа или, според принципот на печатачот со мастило, се прскаат во екстремно ситни капки. Производството е поевтино и поефикасно за ресурси, бидејќи по околу една година - наместо претходните три - се амортизира потрошувачката на енергија во производството. Користејќи инк-џет технологија, сепак, може да се произведат и флексибилни потпори за генератори.
Сосема различна класа на материјали се користи во таканаречените органски соларни ќелии: пластика - исто така, хемичарите ги нарекуваат полимери. Всушност, постојат и полупроводни пластики кои можат да ослободат електрони кога се изложени на светлина. Соларните ќелии изработени од пластика ветуваат ефтино производство, формати во голема површина, поголема еколошка компатибилност, лесно ракување и добра прилагодување кон спектарот на бои на сончевата светлина. На овој начин, може да се постигнат високи нивоа на ефикасност.
За таа цел, хемичарите истражуваат полимери со долги јаглеродни ланци и прстенести системи во кои се менуваат единечни и двојни врски помеѓу јаглеродни атоми. Во такви материјали има подвижни електрони кои можат да спроведуваат електрична енергија. Зрачењето на светлината може да создаде слободно подвижни носачи на полнеж и напон. Тие исто така експериментираат со полимери кои можат да се комбинираат со карбонски сфери во форма на фудбалска топка.
Сепак, ветувањата дадени од органски соларни ќелии сè уште не се исполнети: нивната ефикасност е само половина од силициумот, па дури и оваа вредност не останува стабилна. Со текот на времето станува сè полошо и полошо. Предноста на трошоците е исто така фикција. Но, ако производството навистина треба да започне за неколку години, вообичаениот пад на цената за високо-технолошките производи веројатно ќе се појави и тука.
Покрај батериите, гасовите со висока енергија како што е водородот, најверојатно ќе играат улога на уреди за складирање на хемиска енергија во иднина. Веќе може да се генерира од вода со употреба на електролиза, но ова има смисла само ако има прекумерна потрошувачка на електрична енергија. Би било многу поелегантно и поефикасно технички да се имитира фотосинтезата на растенијата. Ферди Шит, директор на институтот Макс Планк за истражување на јаглен во Милхајм ан дер Рур, ја има оваа визија: "Големиот сон ќе биде да се направи водород од вода и светлина. Вие едноставно посипете прашок во водата и водородните меури " Ние работиме на тоа.
„OLED“, хемиски роднини на полимерни соларни ќелии, се многу понапред. OLED се органски диоди кои емитуваат светлина. Тие содржат тенки полупроводници засновани на јаглеводороди. Но, тие не ја претвораат светлината во електрична енергија, тие ја претвораат електричната енергија во светло, и тоа веќе во дисплеите на некои смартфони. Диодите што емитуваат светлина сјаат многу поефикасно од сијалиците и - за разлика од штедливите светилки - не содржат жива. Диодите што емитуваат светлина се следната генерација на извори на светлина.
Органските диоди кои емитуваат светлина овозможуваат целосно нови искуства со осветлување. Бидејќи тие можат да се печатат на голема површина на флексибилни подлоги, ќе има електронска хартија, лесни плочки и тапети, чија боја може постојано да се менува. Со дисплеи, тие ќе обезбедат брилијантни слики.
Главниот проблем со оваа технологија сепак е недоволната издржливост. OLED-уредите веќе се користат во некои дисплеи на паметни телефони, но долгиот век на траење е од второстепено значење во оваа апликација - овие уреди сепак се заменуваат по две до четири години.
Постојат бројни други иновации за заштеда на енергија од хемиски лаборатории. Неколку примери: Лесните градежни материјали ја намалуваат тежината и потрошувачката на гориво во конструкцијата на авиони и возила. Адитивите за бензин овозможуваат моторите да работат економично, без да оставаат остатоци, со ниски емисии. Правото гумено соединение во автомобилските гуми ја намалува отпорноста на тркалање и потрошувачката на гориво. Идните термоелектрични генератори направени од полупроводнички материјали ќе генерираат електрична енергија од топлината на издувните гасови во автомобилот и со тоа ќе ја напојуваат батеријата. Латентните акумулатори на топлина во wallsидовите на куќите ја активираат летната топлина со тоа што топлината на денот ги топи восочните сфери и го зацврстува восокот повторно во текот на ноќта. "Аерогелите" се исто така одлични материјали за топлинска изолација. Тие содржат милиони ситни пори исполнети со воздух на квадратен сантиметар, но дозволуваат светлина да помине, што може да им даде на архитектите нови идеи за дизајн.
И во самата хемиска индустрија има актери кои придонесуваат за енергетска ефикасност, нагласува претседателот на ГДЦ, Дрошер: катализаторите. За нивно производство им требаат повеќе од 80 проценти хемиски производи. Катализаторите прават хемиски реакции можни или барем ги забрзуваат. Ова може значително да ја намали потрошувачката на енергија во производствениот процес. Со намалена потрошувачка на енергија, тие ги активираат реакциите и осигуруваат дека се создаваат помалку непожелни нуспроизводи. Манфред Риц од Здружението на хемиската индустрија ги дава бројките за зголемената ефикасност на ресурсите на неговата гранка: "Помеѓу 1990 и 2009 година, хемиската индустрија во оваа земја го зголеми производството за 42 проценти. Во исто време, таа трошеше енергија за 33 проценти и количината на стакленички гасови за 48 проценти спуштен “. Да видиме дали хемиската индустрија навистина може да го подобри својот имиџ оваа година со вакви факти.