Без хімії ніщо не працює - WELT
2011 рік - Міжнародний рік хімії. Дисципліна спеціаліста почувається нерозуміною і тепер хоче представити себе з найкращого боку
Хімічні реакції відіграють ключову роль у виробленні та зберіганні електроенергії
Одним із чудових видінь є технічне відтворення фотосинтезу рослин
Коли в жовтні минулого року корозійно-токсична червона бруд із сміттєзвалища алюмінієвого заводу розлилася по селах та полях Угорщини, одне, здавалося, знову стало зрозумілим: хімія - це просто велика халепа. Навіть через десятки років після катастроф у Севесо та Бхопалі ця наука не дуже добре сприймається багатьма.
Імідж хімії може покращитися цього року, оскільки організація ООН з питань освіти, науки та культури оголосила Міжнародним роком хімії 2011 рік. ЮНЕСКО хоче зосередити увагу на науці, яка, як правило, недооцінюється, а іноді неправильно розглядається критично. Чи не правда, що ми безмежно багато зобов'язані хімії: антибіотики, автомобільна фарба, шампунь, теплоізоляція, тефлон, бронежилети, добрива, суперклей, телевізійні екрани, побутові миючі засоби, моторне масло, комп'ютерні чіпи, папір та акумулятори - лише один Наводити приклади. На німецькому заході з нагоди відкриття Міжнародного року хімії Міхаель Дрешер, президент Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh), заявив минулої середи в Берліні: "Дві третини всіх матеріалів, які надходять на ринок продуктів, були розроблені хімічною промисловістю".
Немає сумнівів щодо цього, хімію можна знайти майже скрізь - навіть там, де на ній прямо не вказано. Візьмемо, наприклад, енергію: Є плани на майбутнє, коли викопні енергетичні ресурси більше не відіграватимуть суттєвої ролі, коли електричні машини живляться від електрики від акумуляторів, а відновлювана сировина забезпечує газ для опалення. Хімія відіграє центральну роль у цьому майбутньому сценарії. Канцлер Ангела Меркель навіть сподівається на самохідний автомобіль: "У мене є мрія, щоб фарба одного дня була єдиною сонячною батареєю", - сказала вона в середу на початку хімічного року.
Коли темою інноваційних енергетичних технологій є нано, матеріал або технологія процесів, зазвичай хіміки виконують там основну роботу - наприклад, при подальшому розвитку акумуляторів для гібридних та електричних автомобілів. Якщо акумулятори повинні рухати машину більше ніж на 50 кілометрів, порівняно недорогі нікель-метал-гідридні батареї повинні бути замінені літій-іонними акумуляторами, які пропонують вдвічі більше ємності для зберігання на кілограм. Однак вони значно дорожчі і тривалість їх життя досить скромна.
Тому інженери та хіміки хочуть спільно розробляти більш потужні акумулятори. У наявних сьогодні літієвих батареях енергія знаходиться в атомах літію поблизу негативного електрода. Ці атоми вбудовані в графіт - матеріал, з якого виготовлені олівці. Позитивний електрод виготовлений з оксиду кобальту літію.
Однак хіміки вже випробовують альтернативні матеріали для електродів. Це повинно збільшити досяжну напругу з 3,5 до 5 вольт і збільшити кількість енергії, яку можна накопичити. У той же час батареї повинні служити довше, а виробничі витрати повинні зменшуватися. Для негативного електрода дослідники додають до графіту трохи порошку кремнію. Це, мабуть, означає, що можна зберігати більше іонів літію. У майбутньому сульфіди, тобто сполуки сірки, більше не будуть використовуватися на позитивному полюсі.
Також можливі повністю нові конструкції акумуляторів, які - принаймні теоретично - можуть забезпечити в кілька разів більшу щільність енергії. Дослідження проводяться, наприклад, на літієво-повітряних батареях, в яких позитивний електрод (раніше виготовлений з оксиду металу) замінений пористим шаром вуглецю, який промивається повітрям. З цим типом батареї іони літію, які мігрують до анода під час розряду, реагують з киснем у повітрі. Цей процес обіцяє величезну щільність енергії до 1000 ват-годин на кілограм. Але, ймовірно, пройде щонайменше десять років, перш ніж він буде готовий до серійного виробництва.
Пошук більш ефективного накопичення енергії - це не просто робота хіміків. Виробництво енергії також можна покращити завдяки розумній хімії - наприклад, у вітряних турбінах. Лопатки ротора, довжина яких сьогодні досягає 50 метрів, у майбутньому мають зрости до 100 метрів, особливо у випадку офшорних систем. Тоді вихід енергії відбувається майже вчетверо. Однак для цього легкі синтетичні смоли в матеріалах ротора повинні бути оснащені новими типами волокон, що ще більше збільшують їх міцність. На даний момент вони в основному містять мати зі скловолокна (GRP, армовані скловолокном пластмаси). Перші ротори, додатково посилені високоефективними вуглецевими волокнами, вже поставляються. Наступне покоління міститиме волокна, виготовлені з вуглецевих нанотрубок. "Вуглецеві нанотрубки" (CNT) ще краще зупиняють тріщини в синтетичній смолі при великих навантаженнях, і ротори можуть продовжувати рости. Таким чином, потужність однієї вітряної турбіни може бути збільшена до десяти мегават.
Перехід на нові матеріали також робить сонячні елементи більш ефективними - і одночасно знижує ціни. Сучасні сонячні елементи зазвичай складаються з шарів кремнію, товщина яких становить трохи менше 0,2 міліметра. У тонкоплівкових сонячних елементах шар, що поглинає світло, навіть тонший у 100 разів. Потім вони складаються з матеріалів арсеніду галію або телуриду кадмію. Тонкі шари або осідають парою, або, відповідно до принципу струменевого принтера, розпорошуються надзвичайно дрібними краплями. Виробництво дешевше та ресурсоефективніше, оскільки приблизно через рік - замість трьох раніше - енергоспоживання виробництва амортизується. Однак, використовуючи струменеву технологію, також можна виготовити гнучкі опори для генераторів.
Зовсім інший клас матеріалів використовується в так званих органічних сонячних елементах: пластмаси - хіміки також називають полімерами. Насправді існують також напівпровідникові пластмаси, які можуть випускати електрони під впливом світла. Сонячні батареї, виготовлені з пластику, обіцяють недороге виробництво, великі формати, більшу екологічну сумісність, просту обробку та хорошу адаптацію до колірного спектру сонячного світла. Це дозволяє досягти високого рівня ефективності.
Для цього хіміки досліджують полімери з довгими вуглецевими ланцюгами та кільцевими системами, в яких поодинокі та подвійні зв’язки між атомами вуглецю чергуються. У таких матеріалах є рухливі електрони, здатні проводити електрику. Випромінювання світла може створювати вільно рухомі носії заряду і напругу. Вони також експериментують з полімерами, які можна поєднувати з карбоновими сферами у формі футбольного м'яча.
Однак обіцянки, дані органічними сонячними елементами, ще не виконані: їх ефективність лише вдвічі менша, ніж кремнію, і навіть ця величина не залишається стабільною. З часом воно погіршується і погіршується. Вигідна вартість також досі є вигадкою. Але якщо виробництво дійсно розпочнеться через кілька років, і тут, ймовірно, відбудеться звичайне падіння цін на високотехнологічну продукцію.
На додаток до батарей, високоенергетичні гази, такі як водень, в майбутньому, швидше за все, відіграватимуть роль пристроїв зберігання хімічної енергії. Його вже можна генерувати з води за допомогою електролізу, але це має сенс лише за умови надлишку електроенергії. Було б набагато елегантніше та ефективніше технічно імітувати фотосинтез рослин. Ферді Шют, директор Інституту досліджень вугілля Макса Планка в Мюльхаймі-на-Рурі, має таке бачення: "Великою мрією було б зробити водень з води та світла. Ви просто посипаєте порошок у воду і водень пузиріть звідти . " Ми працюємо над цим.
"OLED", хімічні родичі полімерних сонячних елементів, значно попереду. OLED - це органічні світлодіоди. Вони містять тонкі напівпровідники на основі вуглеводнів. Але вони не перетворюють світло на електрику, вони перетворюють електрику на світло, і це вже на дисплеях деяких смартфонів. Світлодіоди світять набагато ефективніше, ніж лампочки, і - на відміну від енергозберігаючих ламп - не містять ртуті. Світлодіоди - це наступне покоління джерел світла.
Органічні світлодіоди забезпечують абсолютно нові враження від освітлення. Оскільки їх можна друкувати на великій площі на гнучких підкладках, там буде електронний папір, світла плитка та шпалери, колір яких можна постійно змінювати. Завдяки дисплеям вони забезпечують блискучі зображення.
Однак основною проблемою цієї технології залишається недостатня довговічність. OLED-пристрої вже використовуються на деяких дисплеях смартфонів, але тривалий термін служби в цьому додатку має другорядне значення - ці пристрої все одно замінюються через два-чотири роки.
Існує безліч інших енергозберігаючих нововведень хімічних лабораторій. Кілька прикладів: Легкі будівельні матеріали зменшують вагу та витрату палива в конструкції літаків та автомобілів. Бензинові присадки дозволяють двигунам працювати економічно, не залишаючи залишків, з низьким рівнем викидів. Правильна гумова суміш у автомобільних шинах зменшує опір коченню та витрату палива. Майбутні термоелектричні генератори, виготовлені з напівпровідникових матеріалів, будуть виробляти електроенергію з тепла вихлопних газів автомобіля і тим самим живити акумулятор. Акумулятори прихованого тепла в стінах будинку буферують літнє тепло, завдяки чому тепло дня розтоплює воскові сфери і вночі знову застигає віск. «Аерогелі» - це також відмінні теплоізоляційні матеріали. Вони містять мільйони крихітних заповнених повітрям пор на квадратний сантиметр, але пропускають світло, що може дати архітекторам нові дизайнерські ідеї.
У самій хімічній промисловості також є учасники, які сприяють енергоефективності, наголошує президент GDCh Дрешер: каталізатори. Для їх виробництва потрібно понад 80 відсотків хімічної продукції. Каталізатори роблять можливими хімічні реакції або принаймні прискорюють їх. Це може значно зменшити споживання енергії в процесі виробництва. Зменшуючи витрати енергії, вони запускають реакції та забезпечують утворення менше небажаних побічних продуктів. Манфред Рітц з Німецької асоціації хімічної промисловості наводить цифри щодо підвищення ефективності використання ресурсів своєї галузі: "З 1990 по 2009 рік хімічна промисловість у цій країні збільшила виробництво на 42 відсотки. Водночас вона споживала енергію на 33 відсотки, а кількість парникових газів на 48 відсотків опущений ". Давайте подивимось, чи насправді хімічна промисловість може покращити свій імідж цього року за допомогою таких фактів.