ALCHEMICY XXI WIEKU
Renesansowi alchemicy poszukiwali kamienia filozoficznego i niestrudzenie próbowali przemienić ołów w złoto. Współczesnym chemikom przemiana pospolitych surowców w substancje o wielkiej wartości udaje się dużo lepiej.
Jeremy Rifkin, amerykański krytyk współczesnego społeczeństwa i wizjoner lepszej przyszłości, przekonuje, że jedynym wyjściem z nasilającego się kryzysu energetycznego jest przestawienie się na gospodarkę wodorową.
Zasoby wodoru, jednego ze składników wody, są potencjalnie nieograniczone. Jako paliwo ma same zalety – podczas jego spalania powstaje czysta energia, a jedyna pozostałość to woda.
Żadnych więc problemów z emisją gazów cieplarnianych, przyczyniających się, zdaniem wielu naukowców, do globalnego ocieplenia atmosfery.
Szczęśliwy przypadek
Problem w tym, że uwolnienie wodoru z wody jest procesem bardzo energochłonnym, dlatego pozyskuje się go dzisiaj w procesie przeróbki gazu ziemnego lub węgla. W efekcie jako produkt uboczny nieustannie powstaje dwutlenek węgla, gaz, z którym staramy się coraz intensywniej walczyć. W styczniu br. czasopismo „MIT’s Technology Review” opisało rezultaty prac niewielkiej amerykańskiej firmy technologicznej Nanoptec, finansowanej w dużej mierze przez agencję astronautyczną NASA i departament energii USA.
Naukowcy z Nanoptec zaprojektowali proces pozyskiwania wodoru na drodze fotolizy wody – polega on na rozkładzie cząsteczki wody na wodór i tlen pod wpływem światła słonecznego. Metoda wygląda na tyle obiecująco, że Nanoptec bez trudu pozyskał pieniądze prywatnych inwestorów, które umożliwią budowę instalacji pilotażowej. Czy jesteśmy świadkami narodzin wymarzonej przez Rifkina gospodarki wodorowej? Pokaże czas, wiadomo jednak, że podstawą ewentualnej rewolucji będą substancje chemiczne o szczególnych właściwościach.
Fot. LHOON, Flickr, CC by SA
Nanoptec w swym procesie wykorzystuje dwutlenek tytanu, popularną substancję stosowaną m.in. w produkcji farb. Odpowiednio przygotowany działa jak katalizator – związek chemiczny ułatwiający przebieg reakcji chemicznej, w tym przypadku rozkład cząsteczki wody pod wpływem energii dostarczanej przez fotony z promieniowania słonecznego.
Katalizatory kojarzą się głównie jako elementy wyposażenia nowoczesnych samochodów odpowiedzialne za dopalanie gazów spalinowych z silnika. W istocie zastosowanie katalizatorów jest znacznie szersze, trudno sobie bez nich wyobrazić jakikolwiek przemysłowy proces chemiczny, w którym substancje pospolite przekształcane są w produkty często cenniejsze od złota, np. leki.
Kataliza otwiera nowe możliwości poszukiwania zaienników coraz droższych paliw, ropy naftowej i gazu ziemnego. – Przy obecnych cenach tych surowców opłacalna stała się produkcja syntetycznego gazu i benzyny – informuje Duńczyk Jens Rostrup-Nielsen, jeden z najwybitniejszych w świecie specjalistów w dziedzinie katalizy przemysłowej. – Technologie przeróbki węgla na syntetyczne paliwa znane są od dawna, stosowali je Niemcy podczas drugiej wojny światowej i RPA podczas embarga w czasach apartheidu. Poddając węgiel działaniu pary wodnej otrzymujemy syngaz – mieszaninę wodoru i tlenku węgla, doskonały surowiec do dalszych procesów chemicznych.
Rostrup-Nielsen od 40 lat związany jest z koncernem Haldor Topsoe, w którym kierował działem badań i rozwoju, a dziś odpowiada za projekty specjalne. Jednym z najważniejszych jego osiągnięć jest opracowanie katalitycznej metody przekształcania syngazu bezpośrednio w substancję o nazwie eter dimetylowy (DME).
– DME jest doskonałym substytutem LPG, gazu płynnego stosowanego powszechnie zamiast benzyny do napędzania samochodów – wyjaśnia duński uczony. – Ale kilkanaście lat temu zupełnie przez przypadek odkryliśmy, że DME jest także doskonałym paliwem do silników wysokoprężnych. Odkrycie było dziełem pracującego w Haldor-Topsoe technika, który testował DME zasilając nim różne silniki.
DME ulega samozapłonowi pod wpływem sprężania i może być substytutem oleju napędowego. – Długo, gdy panowały niskie ceny ropy naftowej, nikt nie chciał w nową technologię inwestować – wspomina Rostrup-Nielsen. – Dziś sytuacja radykalnie się zmieniła, pionierami są Szwedzi.
W Szwecji w wielkiej papierni powstała instalacja, w której poddaje się gazyfikacji biomasę pozostającą jako produkt uboczny produkcji papieru. Uzyskany syngaz przekształcany jest w DME, którym zasilane są autobusy Volvo. Surowcem do produkcji DME może być zarówno biomasa, w tym przypadku przemysłowy odpad, jak i węgiel lub gaz ziemny.
Węgiel znowu w modzie
Węgla jest ciągle pod dostatkiem, ale dostęp do gazu ziemnego staje się coraz bardziej problematyczny, zwłaszcza dla największych gospodarek świata – amerykańskiej i chińskiej. Nic więc dziwnego, że w Stanach Zjednoczonych wróciły zarzucone przez Ronalda Reagana projekty budowy fabryk do produkcji syntetycznego gazu z węgla.
– Robota najszybciej idzie jednak w Chinach. Pod Pekinem, któremu systematycznie, zwłaszcza w zimie, brakuje gazu potrzebnego dla przemysłu i ogrzewania mieszkań, powstają cztery fabryki gazyfikacji węgla. Razem będą wytwarzać dwa razy więcej gazu, niż Dania wydobywa z Morza Północnego – zachwyca się skalą chińskich inwestycji duński uczony.
Rostrup-Nielsen bywa ostatnio częstym gościem w Polsce, bo jest przekonany, że podobnie jak Amerykanie i Chińczycy powinniśmy postawić na węgiel jako nowoczesny surowiec do produkcji syntetycznych paliw. – Silną stroną Polski jest nie tylko przemysł węglowy i związane z nim zaplecze naukowo-badawcze, ale także bardzo mocna tradycja badań nad katalizą. Macie doskonały Instytut Katalizy PAN w Krakowie, założony i przez wiele lat prowadzony przez wybitnego uczonego, prof. Jerzego Habera – wylicza Duńczyk.
To rzeczywiście wielki kapitał, bo kataliza przez długie lata traktowana była bardziej jak alchemia niż prawdziwa nauka. – Z punktu widzenia przemysłu istotą katalizy jest wspomaganie reakcji chemicznych, by przebiegały jak najwydajniej, w sposób powtarzalny. Tradycyjnie do wiedzy tej dochodziliśmy metodą prób i błędów, powtarzając w nieskończoność eksperymenty, nie znając jednak w pełni naukowych podstaw projektowanych przez nas procesów i katalizatorów. W efekcie wchodziliśmy w posiadanie ezoterycznej wiedzy, stanowiącej, podobnie jak u alchemików, źródło niezłych dochodów – żartuje Rostrup-Nielsen.
Podglądanie atomów
Ten romantyczny okres odchodzi jednak w przeszłość, a wyraźną cezurą jest ubiegłoroczna Nagroda Nobla w chemii, przyznana niemieckiemu uczonemu Gerhardowi Ertlowi. – Kluczem do zrozumienia zjawisk katalizy jest wyjaśnienie, co się dzieje na powierzchni katalizatora – wyjaśnia Rostrup-Nielsen. Ertl nie dokonał żadnego przełomowego odkrycia w chemii, lecz systematycznie przez kilkadziesiąt lat badał zjawiska zachodzące na powierzchniach metali wykorzystywanych jako katalizatory.
W rezultacie wyjaśnił wiele stosowanych powszechnie w przemyśle, lecz spowitych alchemiczną aurą reakcji. To właśnie Ertl odkrył mechanizmy leżące u podstaw syntezy Habera-Boscha, polegającej na przemianie azotu z powietrza w amoniak, dzięki czemu stała się możliwa produkcja nawozów sztucznych i pierwsza zielona rewolucja.
– Eksperymenty Ertla dostarczyły olbrzymiej ilości danych, które w połączeniu z teoretycznymi modelami reakcji katalitycznych umożliwiły opracowanie komputerowych symulacji rzeczywistych procesów – wyjaśnia Rostrup-Nielsen. – W rezultacie dziś zaprzęgamy do roboty superkomputery i modelujemy reakcje z laboratoryjną dokładnością. W ten sposób eliminujemy wiele ślepych tropów, pozostawiając do sprawdzenia w rzeczywistym laboratorium tylko najbardziej obiecujące reakcje.
Sama praktyka laboratoryjna także zmieniła się w ostatnich latach. – Dzięki rozwojowi technik analitycznych, jak mikroskopia elektronowa, mikroskopia sił atomowych (AFM) czy wykorzystanie synchrotronowego promieniowania rentgenowskiego, możemy dosłownie podglądać przebieg reakcji i to, co się dzieje na powierzchni katalizatorów – wyjaśnia uczony.
– W ten sposób odkryliśmy m.in., że podczas syntezy metanolu z syngazu katalizator zmienia kształt w zależności od składu wchodzącego do reakcji gazu, co z kolei ma wpływ na przebieg samej reakcji. Kiedy zaczynałem pracę jako młody chemik, wielkim osiągnięciem było komputerowe symulowanie zachowania cząsteczki wodoru. Dziś możemy symulować na ekranie komputera, a następnie obserwować w czasie rzeczywistym przebieg całych reakcji.
Druga młodość chemii
Kataliza przestaje być wiedzą ezoteryczną, stała się nauką. Sędziwy Jens Rostrup-Nielsen zrezygnował z obowiązków kierowania działem badawczo-rozwojowym w swojej firmie, nie po to jednak, by przejść na emeryturę. – Zajmuję się teraz odmładzaniem starych technologii – dodaje z uśmiechem.
Trudno mieć wątpliwości, że chemię czeka w XXI w. druga młodość. Wielki postęp w rozwoju technik analitycznych i metod modelowania komputerowego zmienił nie tylko oblicze katalizy. Jeszcze do niedawna poszukiwanie nowych substancji leczniczych wiązało się z koniecznością syntezy dziesiątków tysięcy związków chemicznych w poszukiwaniu tego jedynego, który spełni oczekiwania.
Nierzadko jednak nawet bardzo obiecująca substancja przepada podczas badań klinicznych, gdy ujawnią się skutki uboczne. W rezultacie wiele lat pracy setek ludzi szło na marne. Dziś synteza leków, podobnie jak projektowanie katalizatorów, ma charakter o wiele bardziej racjonalny. Z kolei nowoczesne katalizatory, zaprojektowane przez uczonych „na zamówienie”, umożliwiają realizację bardzo skomplikowanych reakcji z zadowalającą przemysł wydajnością.
Chemię obciąża się odpowiedzialnością za wiele grzechów współczesnej cywilizacji. Tragedia talidomidu (w latach 60. tysiące dzieci urodziły się z potwornymi wadami ciała, bo ich matki w ciąży przyjmowały lek o niezbadanym wówczas teratogennym działaniu), dziura ozonowa – to tylko kilka ponurych dowodów. Chemia jest jednak bardzo refleksyjną dziedziną nauki, która szybko wyciąga wnioski z własnej niedoskonałości.
Uzbrojona w nową wiedzę pozwala nie tylko naprawić błędy przeszłości, lecz także proponować rozwiązania mogące zmienić przyszłość. Bo jeśli rzeczywiście kiedykolwiek ma się spełnić sen o cywilizacji wodorowej, której już nigdy nie zabraknie energii, to niemożliwe to będzie bez chemii, katalizatorów i ludzi takich jak Jens Rostrup-Nielsen.
Edwin Bendyk
Tekst opublikowany w tygodniku „Polityka” (17/2008).
CZYTAJ TAKŻE:
Antymatrix – blog Edwina Bendyka.
Świat. Reanimacja – Jak ocalić świat? Jeszcze do niedawna odpowiedzi na to pytanie szukali głównie intelektualiści. Dziś w poszukiwania włączają się także naukowcy, inżynierowie i inwestorzy; łączą poczucie misji z przekonaniem, że wchodzą w świetny biznes.
Pojazd z przyszłości – Wywołuje lekki zawrót głowy. Przymykasz oczy, a wtedy mały stworek metalicznym głosem pyta: Nie jesteś zmęczony? Może zrobisz sobie przerwę? Pivo to pojazd z przyszłości.
Ekosamochody. Szczęśliwe czasy motoryzacji minęły bezpowrotnie. Dziś producenci mniej mówią o mocy silników i urodzie nowych aut, a więcej o globalnym ociepleniu i kryzysie paliwowym. Żeby przetrwać – samochód musi się radykalnie zmienić. Ale jak?
