Nimic nu funcționează fără chimie - WELT
2011 este Anul Internațional al Chimiei. Disciplina de specialitate se simte neînțeleasă și acum vrea să se prezinte din partea sa cea mai bună
Reacțiile chimice joacă un rol cheie în generarea și stocarea energiei electrice
Una dintre marile viziuni este replicarea tehnică a fotosintezei plantelor
Când noroiul roșu coroziv și toxic din depozitul de deșeuri al unei fabrici de aluminiu s-a vărsat peste sate și câmpuri din Ungaria în octombrie trecut, un lucru părea să fie foarte clar încă o dată: chimia este doar o mare mizerie. Chiar și decenii după catastrofele de la Seveso și Bhopal, această știință nu este bine primită de mulți.
Imaginea chimiei s-ar putea îmbunătăți anul acesta, întrucât Organizația ONU pentru Educație, Știință și Cultură a declarat Anul Internațional al Chimiei 2011. Unesco dorește să concentreze atenția asupra unei științe care este în general subestimată și uneori privită greșit critic. Nu este adevărat că datorăm o sumă infinită de bani chimiei: antibiotice, vopsea auto, șampon, izolație termică, teflon, veste antiglonț, îngrășăminte, superglue, ecrane TV, detergenți de uz casnic, ulei de motor, cipuri de computer, hârtie și baterii - doar unul Pentru a da exemple. La evenimentul german de deschidere a Anului internațional al chimiei, Michael Dröscher, președintele Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh), a declarat miercuri trecut la Berlin: „Două treimi din toate materialele care vin pe piață în produse au fost dezvoltate de industria chimică”.
Fără îndoială, chimia poate fi găsită aproape peste tot - chiar și acolo unde nu este menționată în mod explicit. Luați energie, de exemplu: există planuri pentru un viitor în care resursele de energie fosilă nu mai joacă un rol esențial, în care mașinile electrice sunt alimentate cu energie electrică din baterii, iar materiile prime regenerabile furnizează gaze pentru încălzire. Chimia joacă un rol central în acest scenariu viitor. Cancelarul Angela Merkel chiar speră la o mașină autopropulsată: „Am visul că vopseaua mașinii va fi într-o zi o singură celulă solară”, a spus ea miercuri, la începutul anului chimic.
Când subiectul tehnologiilor energetice inovatoare este nano, material sau tehnologie de proces, de obicei chimiștii fac lucrările de bază acolo - de exemplu în dezvoltarea în continuare a bateriilor pentru mașinile hibride și electrice. Dacă bateriile vor muta mașina peste 50 de kilometri, bateriile de hidrură de nichel-metal relativ ieftine trebuie înlocuite cu baterii litiu-ion, care oferă mai mult de două ori mai multă capacitate de stocare pe kilogram. Cu toate acestea, acestea sunt semnificativ mai scumpe, iar durata lor de viață este destul de modestă.
Prin urmare, inginerii și chimiștii vor să lucreze împreună pentru a dezvolta baterii mai puternice. În bateriile cu litiu disponibile astăzi, energia se află în atomi de litiu lângă electrodul negativ. Acești atomi sunt încorporați în grafit - materialul din care sunt realizate creioanele. Electrodul pozitiv este realizat din oxid de litiu-cobalt.
Cu toate acestea, chimiștii testează deja materiale alternative pentru electrozi. Aceasta este menită să mărească tensiunea realizabilă de la 3,5 la 5 volți și să mărească cantitatea de energie care poate fi stocată. În același timp, bateriile ar trebui să dureze mai mult, iar costurile de producție ar trebui să scadă. Pentru electrodul negativ, cercetătorii adaugă puțină pulbere de siliciu la grafit. Se pare că acest lucru înseamnă că pot fi depozitați mai mulți ioni de litiu. În viitor, sulfurile, adică compușii de sulf, nu vor mai fi folosiți la polul pozitiv.
Sunt concepute și modele de baterii complet noi, care - cel puțin în teorie - ar putea permite densitatea energiei de câteva ori mai mare. De exemplu, se efectuează cercetări cu privire la bateriile cu litiu-aer, de exemplu, în care electrodul pozitiv (anterior realizat din oxid de metal) este înlocuit cu un strat poros din carbon prin care aerul este spălat. Cu acest tip de baterie, ionii de litiu care migrează către anod în timpul descărcării reacționează cu oxigenul din aer. Acest proces promite densități energetice uriașe de până la 1000 de wați pe kilogram. Dar va dura probabil cel puțin zece ani până când va fi gata pentru producția de serie.
Găsirea unui stoc mai eficient de energie nu este doar o treabă pentru chimiști. Generarea de energie poate fi îmbunătățită și prin chimie inteligentă - de exemplu în turbine eoliene. Paletele rotorului, care au o lungime de până la 50 de metri astăzi, vor crește până la 100 de metri în viitor, în special pentru sistemele offshore. Apoi, randamentul energetic aproape cvadruplează. Pentru a face acest lucru, însă, rășinile sintetice ușoare din materialele rotorului trebuie să fie echipate cu noi tipuri de fibre care le sporesc și mai mult rezistența. În prezent, acestea conțin în principal covoare din fibră de sticlă (GRP, materiale plastice armate cu fibră de sticlă). Primele rotoare, care sunt suplimentar armate cu fibre de carbon performante, sunt deja livrate. Următoarea generație va conține fibre fabricate din nanotuburi de carbon. „Nanotuburile de carbon” (CNT) opresc crăpăturile rășinii sintetice și mai bine la sarcini mari, iar rotoarele pot continua să crească. În acest fel, producția unei singure turbine eoliene poate fi mărită la zece megavati.
Tranziția către noi materiale face, de asemenea, celulele solare mai eficiente - și, în același timp, scăderea prețurilor. Celulele solare de astăzi constau de obicei din straturi de siliciu care au o grosime de puțin sub 0,2 milimetri. În celulele solare cu film subțire, stratul absorbant de lumină este chiar de 100 de ori mai subțire. Ele constau apoi din materialele arsenidă de galiu sau telurură de cadmiu. Straturile subțiri sunt fie depozitate de vapori, fie, conform principiului imprimantei cu jet de cerneală, pulverizate în picături extrem de fine. Producția este mai ieftină și mai eficientă din punct de vedere al resurselor, deoarece după aproximativ un an - în loc de trei înainte - consumul de energie al producției este amortizat. Cu ajutorul tehnologiei cu jet de cerneală, totuși, pot fi produse și suporturi flexibile pentru generatoare.
O clasă complet diferită de materiale este utilizată în așa-numitele celule solare organice: materialele plastice - numite și polimeri de către chimiști. De fapt, există și materiale plastice semiconductoare care pot elibera electroni când sunt expuse la lumină. Celulele solare din plastic promit o producție ieftină, formate de suprafață mare, mai multă compatibilitate cu mediul, o manipulare ușoară și o bună adaptare la spectrul de culori al soarelui. În acest fel, pot fi atinse niveluri ridicate de eficiență.
Pentru această aplicație, chimiștii cercetează polimeri cu lanțuri lungi de carbon și sisteme de inele în care se alternează legături simple și duble între atomii de carbon. În astfel de materiale există electroni mobili care pot conduce electricitatea. Radiația luminii poate crea purtători de sarcină care se pot deplasa liber și o tensiune. De asemenea, experimentează cu polimeri care pot fi combinați cu sfere de carbon în formă de minge de fotbal.
Cu toate acestea, promisiunile făcute de celulele solare organice nu au fost încă respectate: eficiența lor este doar jumătate din cea a siliciului și chiar această valoare nu rămâne stabilă. Se înrăutățește din ce în ce mai rău în timp. Avantajul costurilor este, de asemenea, o ficțiune. Dar dacă producția ar trebui să înceapă de fapt în câțiva ani, este posibil ca scăderea obișnuită a prețurilor pentru produsele de înaltă tehnologie să apară și aici.
În viitor, pe lângă baterii, gazele cu energie ridicată, cum ar fi hidrogenul, vor juca un rol ca dispozitive de stocare a energiei chimice. Poate fi generat deja din apă folosind electroliza, dar acest lucru are sens numai dacă există o surplus de energie electrică. Ar fi mult mai elegant și mai eficient să imiți tehnic fotosinteza plantelor. Ferdi Schüth, director la Institutul Max Planck pentru Cercetarea Cărbunelui din Mülheim an der Ruhr, are această viziune: "Marele vis ar fi să producem hidrogen din apă și lumină. Pur și simplu stropim o pulbere în apă și bulele de hidrogen afară . " Lucrăm la asta.
„OLED-urile”, rude chimice ale celulelor solare polimerice, sunt mult mai departe în față. OLED-urile sunt diode organice care emit lumină. Acestea conțin semiconductori subțiri pe bază de hidrocarburi. Dar nu transformă lumina în energie electrică, transformă electricitatea în lumină și asta deja pe afișajele unor smartphone-uri. Diodele care emit lumină strălucesc mult mai eficient decât becurile și - spre deosebire de lămpile cu economie de energie - nu conțin mercur. Diodele cu emisie de lumină sunt următoarea generație de surse de lumină.
Diodele organice care emit lumină permit experiențe de iluminare complet noi. Deoarece pot fi imprimate pe o suprafață mare pe suporturi flexibile, vor exista hârtie electronică, plăci ușoare și imagini de fundal, a căror culoare poate fi modificată continuu. Cu afișaje, acestea vor asigura imagini strălucitoare.
Cu toate acestea, principala problemă cu această tehnologie este încă durabilitatea insuficientă. OLED-urile sunt deja utilizate în unele afișaje pentru smartphone-uri, dar o perioadă lungă de valabilitate este de o importanță secundară în această aplicație - aceste dispozitive sunt oricum înlocuite după doi până la patru ani.
Există numeroase alte inovații de economisire a energiei din laboratoarele chimice. Câteva exemple: materialele de construcție ușoare reduc greutatea și consumul de combustibil în construcția de aeronave și vehicule. Aditivii pe benzină permit motoarelor să funcționeze economic, fără a lăsa reziduuri, cu emisii reduse. Compusul de cauciuc potrivit din anvelopele auto reduce rezistența la rulare și consumul de combustibil. Viitoarele generatoare termoelectrice fabricate din materiale semiconductoare vor genera electricitate din căldura gazelor de eșapament auto și vor alimenta astfel bateria. Depozitarea latentă a căldurii în pereții casei amortizează căldura verii prin căldura zilei topind globule de ceară și solidificând din nou ceara noaptea. „Aerogelurile” sunt, de asemenea, materiale excelente de izolare termică. Acestea conțin milioane de pori mici umpluți cu aer pe centimetru pătrat, dar permit trecerea luminii, ceea ce ar putea oferi arhitecților noi idei de design.
Și în industria chimică în sine există actori care contribuie la eficiența energetică, subliniază președintele GDCh Dröscher: catalizatorii. Au nevoie de peste 80% din produsele chimice pentru producția lor. Catalizatorii fac posibile reacții chimice sau cel puțin le accelerează. Acest lucru poate reduce semnificativ consumul de energie în procesul de fabricație. Cu un consum redus de energie, acestea pun în mișcare reacțiile și se asigură că sunt create mai puține subproduse nedorite. Manfred Ritz de la Asociația Industriei Chimice oferă cifrele pentru creșterea eficienței resurselor din ramura sa: „Între 1990 și 2009, industria chimică din această țară a crescut producția cu 42%. În același timp, a consumat energie cu 33% și cantitatea de gaze cu efect de seră cu 48%. coborât. " Să vedem dacă industria chimică își poate îmbunătăți efectiv imaginea în acest an cu astfel de fapte.