ELEMENTE - material de forță din oxigen

TEXT BERND KALTWASSER

Cosmetice, curățare, microelectronică - peroxidul de hidrogen alimentează aplicații inovatoare în chimie timp de două secole. Ca combustibil suplimentar pentru rachete, combinația de hidrogen și oxigen aduce acum o contribuție importantă la deplasările spațiale mai ecologice.

TEXT BERND KALTWASSER

A fost apusul soarelui acum trei ore, acum jungla este cufundată în întuneric profund. Noaptea se termină la un gard din sârmă ghimpată care se întinde peste peisajul tropical. În spatele ei: o rachetă spațială de peste 46 de metri înălțime, învăluită în lumină strălucitoare de reflectoare. Vocea Directeur des Opérations poate fi auzită prin difuzor, anunțând începutul iminent în franceză: „À tous de DDO: Attention pour moins d’une minute”.

Kourou Spaceport, Guyana Franceză, 6 noiembrie 2018, 21.46 ora locală. Acesta rulează în ultimul minut înainte de lansarea unei rachete Soyuz, cu care satelitul meteo „Metop-C” urmează să fie trimis în călătoria sa în spațiu. La bord: peroxid de hidrogen (H₂O₂) de la Evonik. Spectacolul poate fi văzut pe un videoclip de la compania spațială Arianespace. Cu 20 de secunde înainte de decolare: un fulger de lumină aprinde motoarele puternice care ar trebui să ridice monstrul, care cântărește peste 300 de tone, în cer. Urlet și șuierat care se umflă. Performanța este crescută pas cu pas, în cele din urmă boosterul și motorul principal ard mai mult de 450 de kilograme de kerosen și 1.100 de kilograme de oxigen lichid în fiecare secundă. Centrul de control raportează din nou: „Attention pour le décompte final.” Ultimele secunde rulează. „... trois, deux, unité.” Întreaga platformă de lansare este învăluită în strălucire portocalie. „Sus, decolaj ...” Racheta împinge maiestuos spre cer. Zboară un arc, urcă din ce în ce mai sus. La aproximativ o oră după start, o purtătoare de cuvânt a organizației europene de satelit meteo Eumetsat a anunțat că primele semnale de la „Metop-C” au fost preluate: misiunea a fost un succes.

Apă oxigenată:
Conexiune versatilă

Peroxid de hidrogen (H₂O₂) este un compus lichid limpede, incolor, fabricat din oxigen și hidrogen. A fost descoperit în 1818 de Louis Jacques Thénard, decât asta Peroxid de bariu Cu acid azotic lasa sa reactioneze. De atunci, peroxidul de hidrogen a fost unul puternic Agent oxidant. Se folosește la fabricarea agenților de înălbire, de exemplu hârtie, textile sau păr. De asemenea, este utilizat ca dezinfectant și agent de curățare în gospodărie. Peroxidul de hidrogen se descompune în apă și oxigen.

Louis Jacques Thénard: Chimist francez, 1777-1857
Peroxid de bariu (BaO₂): combinație chimică de bariu și oxigen
Acid azotic (HNO₃): Acid oxigenat de azot
Agent oxidant: Element sau compus care oxidează alte substanțe prin acceptarea electronilor

Evonik a jucat un rol cheie în acest sens: „Astăzi, fiecare rachetă Soyuz are deja în jur de zece tone de H₂O₂ de înaltă puritate, foarte concentrat la bord. Acest lucru antrenează pompe turbo care presează combustibilul real în camera de ardere la presiune ridicată ”, raportează Dr. Stefan Leininger, care se ocupă de afacerea cu H₂O₂ pentru aplicații speciale din segmentul Evonik Resource Efficiency. Zece tone, asta este încă o sumă ușor de gestionat. Fiind unul dintre cei mai importanți producători mondiali, Evonik poate produce peste 950.000 de tone de peroxid de hidrogen în fiecare an în 13 locații de pe șase continente.

Combinația lichidă de hidrogen și oxigen este cunoscută de două secole (vezi cronică), dar continuă să cucerească noi piețe astăzi. H₂O₂ și alți peroxizi sunt acum folosiți în domenii atât de diverse precum industria semiconductoarelor, fabricarea hârtiei sau tehnologia alimentară. „Acest lucru nu se datorează în special bunei compatibilități de mediu a materialului și eficienței acestuia”, spune Leininger.

„Faptul că H₂O₂ cucerește în permanență noi piețe se datorează compatibilității și eficienței sale ecologice bune”.

Aceste aspecte devin tot mai importante în călătoriile spațiale. Piața se află într-o stare de răsturnare: furnizorii privați precum SpaceX, condus de inventatorul Tesla Elon Musk, și concurenții Blue Origin, OneWeb și Rocketlab fondați de șeful Amazon Jeff Bezos împing înainte. 114 rachete au decolat în 2018 - mai mult ca oricând într-un an. În același timp, dimensiunea medie a sateliților care sunt transportați în spațiu de rachete se micșorează. Așa-numitele nanosateliți (până la zece kilograme în masă) și microsateliții (până la 100 kilograme în masă) sunt folosiți din ce în ce mai frecvent. Până la 2.600 din sateliții artificiali mici ar putea fi lansați în următorii cinci ani, conform previziunilor firmei de consultanță Spaceworks Inc. În același timp, tendința este spre rachete mai mici.

„Întreaga piață este pe punctul de a parcurge următorul pas evolutiv”, spune Leininger. „Datorită manipulării sale ușoare, H₂O₂ joacă un rol important ca combustibil.” Până în prezent, hidrazina sau derivații săi au preluat această sarcină, de exemplu. Cu toate acestea, hidrazina este suspectată de a provoca cancer, motiv pentru care utilizarea sa în UE poate fi interzisă în viitor. H₂O₂ ar fi o alternativă curată: atunci când intră în contact cu un catalizator adecvat, combustibilul rachetei se descompune pentru a forma vapori de apă și oxigen, generând multă căldură.

ROCKETRY VERDE

H₂O₂ alimentează astfel o tendință globală: sub expresia „Rocketry verde”, numeroși jucători încearcă să facă călătoriile spațiale mai durabile și mai ecologice. Pe lângă aspectele economice, acesta este și un obiectiv al Programului pregătitor pentru viitorul lansator (FLPP), în cadrul căruia Agenția Spațială Europeană ESA cercetează tehnologii pentru următoarea generație de rachete. „Combustibilii ecologici sunt importanți pentru noi”, spune Jan Wörner, directorul general al Agenției Spațiale Europene (vezi interviul). Agenția spațială promovează dezvoltarea durabilă pe pământ de mulți ani și va continua să o facă în viitor.

Proiectul „Hyprogeo”, care a fost finanțat de Comisia Europeană ca parte a programului-cadru de cercetare „Orizont 2020” (cod de finanțare: 634534 HYPROGEO), permite un pas în această direcție. Scopul a fost de a construi un motor rachetă hibrid care arde polietilena cu propulsor solid și utilizează peroxidul de hidrogen ca agent oxidant. „Sarcina noastră ca partener de proiect a fost să producem cea mai mare concentrație posibilă de H₂O₂”, explică Leininger. Evonik a dezvoltat un proces special în acest scop care asigură substanța într-o concentrație de până la 98 la sută - o valoare de top pentru producția industrială. „În timp ce procesul real de fabricație H₂O actual produce o soluție de 40 până la 50%, concentrația finală dorită este atinsă prin distilare și cristalizare ulterioară”, explică Leininger.

Utilizare în remedierea solului și tratarea apelor uzate

Peroxidul de hidrogen își dezvoltă, de asemenea, puterea inovatoare în aplicații de mediu, cum ar fi remedierea solului sau tratarea apelor uzate. În SUA, stațiile de epurare clorează adesea apele uzate tratate înainte de a le deversa înapoi în râuri sau lacuri. De câțiva ani, EPA (Agenția pentru Protecția Mediului) promovează utilizarea metodelor alternative. Aceasta include tratarea apei de canalizare cu H₂O₂ sau acid peracetic (PAA). O soluție ecologică, deoarece atunci când se utilizează cei doi peroxizi, singurele produse secundare sunt apa și acidul acetic ușor biodegradabil.

Ca un agent oxidant puternic, peroxizii luptă împotriva germenilor prezenți în apele reziduale. Virușii, bacteriile și alți microbi sunt uciși de mecanisme de acțiune nespecifice. „Peroxizii pătrund în învelișul celular al microorganismelor și îl schimbă astfel încât să își piardă funcția de barieră”, spune expertul Evonik Leininger. În plus, enzimele din interiorul celulei sunt oxidate și astfel deteriorate ireversibil. Ambele fac ca metabolismul celular să se prăbușească. PAA, în special, sa dovedit a fi un puternic dezinfectant. Doar o sutime din doza corespunzătoare de H₂O₂ are un efect comparabil. "Datorită proprietăților lipofile ale părții acetilice a moleculei, PAA poate pătrunde în membrană celulară în mod deosebit", explică Leininger. În plus, PAA - spre deosebire de H₂O₂ - nu poate fi descompus de o enzimă specială, catalaza microbiană. Prin urmare, mecanismele de rezistență împotriva PAA nu sunt încă cunoscute.

Este atât de verde datorită lui H₂O₂

folosind apă, aer și electric

Din ce în ce mai multe municipalități din SUA apreciază aceste avantaje. Acum câțiva ani, de exemplu, orașul Memphis, cu 650.000 de locuitori, a luat decizia fundamentală de a utiliza PAA pentru tratarea apelor uzate de acum înainte. Cei responsabili au convenit cu compania americană PeroxyChem un contract de furnizare pe termen lung cu obligații de plată necondiționate. Ca urmare, producătorul de peroxizi a început să planifice o nouă fabrică de PAA în regiune în urmă cu doi ani. La începutul lunii noiembrie 2018, Evonik a anunțat că va prelua PeroxyChem.

Peroxizii precum H₂O₂ și PAA nu numai că reduc încărcătura de germeni. Ele elimină, de asemenea, substanțele organice slab degradabile, care ar putea fi o problemă la evacuarea apelor uzate în apele de suprafață. În plus, peroxidul de hidrogen este utilizat pentru detoxifierea apelor reziduale care conțin cianură, cum ar fi cele produse în instalațiile de galvanizare, în atelierele de întărire, în gazul superior al furnalelor sau în mine. H₂O₂ oxidează cianura acolo în cianat, care este hidrolizat în amoniac și acid carbonic. În instalațiile de galvanizare, peroxidul de hidrogen este, de asemenea, utilizat pentru a reoxida oxizii de azot care se formează din acid azotic în procesul de gravare în acid azotic.

Cu unii poluanți, H₂O₂ singur nu poate face nimic. De exemplu, atunci când vine vorba de îndepărtarea benzenilor sau fenolilor din apele uzate, chimiștii recurg la un truc: peroxidul de hidrogen este împărțit în radicali hidroxilici (• OH) fie prin ioni de fier divalenți (Fe² +), radiații UV sau ozon. Acest radical este unul dintre cei mai puternici agenți oxidanți din jur și reacționează cu aproape toți compușii organici.

Apă oxigenată:

201 ani de inovație