Нищо не работи без химия

2011 г. е Международната година на химията. Специализираната дисциплина се чувства неразбрана и сега иска да се представи от най-добрата си страна

Химическите реакции играят ключова роля в производството и съхранението на електричество

Една от големите визии е техническото възпроизвеждане на фотосинтезата на растенията

Когато разяждаща и токсична червена кал от сметището на алуминиева фабрика се разля по селата и полетата в Унгария миналия октомври, едно нещо отново изглеждаше много ясно: химията е просто голяма бъркотия. Дори десетилетия след бедствията в Севесо и Бхопал тази наука не се приема добре от мнозина.

Образът на химията може да се подобри тази година, тъй като Организацията на ООН за образование, наука и култура обяви Международната година на химията 2011. Юнеско иска да фокусира вниманието върху науката, която обикновено е подценявана и понякога погрешно разглеждана критично. Не е ли вярно, че дължим безкрайно много пари на химията: антибиотици, боя за автомобили, шампоан, топлоизолация, тефлон, бронежилетки, торове, суперлепило, телевизионни екрани, домакински почистващи препарати, моторно масло, компютърни чипове, хартия и батерии - само едно Да дам примери. На германското събитие за откриване на Международната година на химията Михаел Дрьошер, президент на Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh), каза миналата сряда в Берлин: „Две трети от всички материали, които излизат на пазара в продуктите, са разработени от химическата индустрия“.

Няма съмнение за това, химията може да се намери почти навсякъде - дори там, където не е изрично посочено върху нея. Вземете например енергията: Има планове за бъдеще, в което изкопаемите горива вече няма да играят съществена роля, в което електрическите автомобили се захранват от електричество от батерии, а възобновяемите суровини осигуряват газ за отопление. Химията играе централна роля в този бъдещ сценарий. Канцлерът Ангела Меркел дори се надява на самоходна кола: "Имам мечтата боята на автомобила един ден да бъде единична слънчева клетка", каза тя в сряда в началото на химическата година.

Когато темата за иновативните енергийни технологии е нано, материал или технология на процеса, обикновено химиците извършват основната работа там - например при по-нататъшното развитие на батериите за хибридни и електрически автомобили. Ако батериите ще преместят колата на повече от 50 километра, сравнително евтините никел-метални хидридни батерии трябва да бъдат заменени от литиево-йонни батерии, които предлагат над два пъти по-голям капацитет за съхранение на килограм. Те обаче са значително по-скъпи и продължителността на живота им е доста скромна.

Поради това инженерите и химиците искат да работят заедно за разработването на по-мощни батерии. В наличните днес литиеви батерии енергията е в литиеви атоми близо до отрицателния електрод. Тези атоми са вградени в графит - материалът, от който са направени моливите. Положителният електрод е направен от литиев кобалтов оксид.

Химиците обаче вече тестват алтернативни материали за електродите. Това е предназначено за увеличаване на постижимото напрежение от 3,5 на 5 волта и увеличаване на количеството енергия, което може да се съхранява. В същото време батериите трябва да издържат по-дълго и производствените разходи да намалят. В случай на отрицателен електрод, изследователите добавят малко силициев прах към графита. Това очевидно означава, че могат да се съхраняват повече литиеви йони. В бъдеще сулфидите, т.е. сярните съединения, вече няма да се използват при положителния полюс.

Възможни са и напълно нови дизайни на батерии, които - поне на теория - могат да позволят няколко пъти по-висока енергийна плътност. Провеждат се изследвания върху литиево-въздушни батерии, например, при които положителният електрод (предварително направен от метален оксид) е заменен от порест слой въглерод, който се промива с въздух. При този тип батерии литиевите йони, мигриращи към анода по време на разреждане, реагират с кислорода във въздуха. Този процес обещава огромна енергийна плътност до 1000 вата часа на килограм. Но вероятно ще отнеме поне десет години, преди да е готов за серийно производство.

Намирането на по-ефективно съхранение на енергия не е просто работа на химиците. Генерирането на енергия може да се подобри и чрез интелигентна химия - например във вятърни турбини. Роторните лопатки, които днес са дълги до 50 метра, в бъдеще трябва да растат до 100 метра, особено за офшорни системи. Тогава енергийният добив е почти четирикратен. За целта обаче леките синтетични смоли в роторните материали трябва да бъдат оборудвани с нови видове влакна, които допълнително увеличават якостта. В момента те най-често съдържат рогозки от стъклени влакна (GRP, пластмаси, подсилени със стъклени влакна). Вече се доставят първите ротори, които са допълнително подсилени с високоефективни въглеродни влакна. Следващото поколение ще съдържа влакна, направени от въглеродни нанотръби. "Въглеродните нанотръби" (CNT) спират пукнатините в синтетичната смола дори по-добре при големи натоварвания и роторите могат да продължат да растат. По този начин мощността на една вятърна турбина може да бъде увеличена до десет мегавата.

Преходът към нови материали също прави слънчевите клетки по-ефективни - и в същото време намаляват цените. Днешните слънчеви клетки обикновено се състоят от силициеви слоеве с дебелина малко под 0,2 милиметра. В тънкослойните слънчеви клетки светлопоглъщащият слой е дори 100 пъти по-тънък. След това те се състоят от материалите галиев арсенид или кадмиев телурид. Тънките слоеве или се отлагат с пара, или, съгласно принципа на мастиленоструйния принтер, се напръскват с изключително фини капчици. Производството е по-евтино и по-ефективно с ресурси, тъй като след около една година - вместо три преди - енергийното потребление на производството се амортизира. Въпреки това, гъвкави опори за генератори също могат да бъдат произведени с помощта на мастиленоструйна технология.

Съвсем различен клас материали се използват в така наречените органични слънчеви клетки: пластмаси - наричани от химиците също полимери. Всъщност има и полупроводникови пластмаси, които могат да отделят електрони, когато са изложени на светлина. Слънчевите клетки, изработени от пластмаса, обещават евтино производство, мащабни формати, по-голяма екологична съвместимост, лесно боравене и добра адаптация към цветовия спектър на слънчевата светлина. По този начин могат да се постигнат високи нива на ефективност.

За тази цел химиците изследват полимери с дълги въглеродни вериги и пръстеновидни системи, в които се редуват единични и двойни връзки между въглеродните атоми. В такива материали има подвижни електрони, които могат да провеждат електричество. Излъчването на светлина може да създаде свободно подвижни носители на заряд и напрежение. Те също експериментират с полимери, които могат да се комбинират с въглеродни сфери с форма на футболна топка.

Все пак обещанията, дадени от органичните слънчеви клетки, все още не са спазени: тяхната ефективност е само половината от тази на силиция и дори тази стойност не остава стабилна. С времето става все по-лошо и по-лошо. Предимството на разходите също все още е измислица. Но ако производството всъщност трябва да започне след няколко години, обичайният спад на цените на високотехнологичните продукти вероятно ще настъпи и тук.

В допълнение към батериите, високоенергийните газове като водород вероятно ще играят роля на устройства за съхранение на химическа енергия в бъдеще. Вече може да се генерира от вода с помощта на електролиза, но това има смисъл само ако има свръхпредлагане на електричество. Би било много по-елегантно и ефективно да имитираме технически фотосинтезата на растенията. Ферди Шют, директор на Института за проучване на въглища „Макс Планк“ в Мюлхайм на дер Рур, има тази визия: „Голямата мечта би била да се направи водород от вода и светлина. Вие просто поръсвате прах във водата и водородните мехурчета навън . " Ние работим върху това.

"OLED", химически роднини на полимерните слънчеви клетки, са много по-напред. OLED са органични светодиоди. Те съдържат тънки полупроводници на основата на въглеводороди. Но те не превръщат светлината в електричество, те превръщат електричеството в светлина и това вече на дисплеите на някои смартфони. Светодиодите светят много по-ефективно от крушките и - за разлика от енергоспестяващите лампи - не съдържат живак. Светодиодите са следващото поколение светлинни източници.

Органичните диоди, излъчващи светлина, дават възможност за изцяло нови светлинни изживявания. Тъй като те могат да бъдат отпечатани на голяма площ върху гъвкави основи, ще има електронна хартия, леки плочки и тапети, чийто цвят може да се променя непрекъснато. С дисплеите те ще осигурят брилянтни изображения.

Основният проблем с тази технология обаче все още е недостатъчната издръжливост. OLED вече се използват в някои дисплеи на смартфони, но дългият експлоатационен живот е от второстепенно значение в това приложение - тези устройства така или иначе се заменят след две до четири години.

Има многобройни други енергоспестяващи иновации от химическите лаборатории. Някои примери: Леките строителни материали намаляват теглото и разхода на гориво в конструкцията на самолети и превозни средства. Бензиновите добавки позволяват на двигателите да работят икономично, без да оставят остатъци, с ниски емисии. Правилната гумена смес в автомобилните гуми намалява съпротивлението при търкаляне и разхода на гориво. Бъдещите термоелектрически генератори, изработени от полупроводникови материали, ще генерират електричество от топлината на отработените газове на автомобила и по този начин ще захранват батерията. Латентното съхранение на топлина в стените на къщата буферира лятната топлина от топлината на деня, топяйки восъчните глобули и втвърдявайки восъка отново през нощта. "Aerogels" също са отлични топлоизолационни материали. Те съдържат милиони малки напълнени с въздух пори на квадратен сантиметър, но позволяват преминаването на светлина, което може да даде на архитектите нови дизайнерски идеи.

В самата химическа индустрия също има участници, които допринасят за енергийната ефективност, подчертава президентът на GDCh Dröscher: катализаторите. Те се нуждаят от повече от 80 процента от химически продукти за своето производство. Катализаторите правят възможни химическите реакции или поне ги ускоряват. Това може значително да намали консумацията на енергия в производствения процес. С намалена консумация на енергия те задействат реакциите и гарантират, че се създават по-малко нежелани странични продукти. Манфред Риц от Асоциацията на химическата индустрия предоставя цифрите за нарастващата ефективност на ресурсите на своя бранш: "Между 1990 и 2009 г. химическата индустрия в тази страна е увеличила производството с 42 процента. В същото време тя е консумирала енергия с 33 процента, а количеството парникови газове с 48 процента понижен. " Нека да видим дали химическата индустрия наистина може да подобри имиджа си тази година с факти като този.