Wielka chemia stoi dziś na paliwach kopalnych i wysokiej temperaturze: żeby cokolwiek zareagowało, trzeba to najpierw porządnie ogrzać. Zespół europejskiego projektu SCOPE poszedł inną drogą i zamiast pieca użył prądu oraz zimnej plazmy, w której rozpędzone są same elektrony, a gaz wokół nich zostaje chłodny. Ślad węglowy takich procesów bywa mniejszy nawet o ponad 90%, a zastosowania sięgają od nawozów po czekoladę – a wszystko to stoi na jednym nawyku: zmieniasz jeden parametr i sprawdzasz, co się stało.
Na lekcjach chemii stany skupienia kończą się zwykle na trzech: ciało stałe, ciecz, gaz. Plazma, uznawana za czwarty, pojawia się najwyżej jako ciekawostka o Słońcu i neonówkach. To przegrzany gaz, w którym atomy dzielą się na wolne elektrony i jony dodatnie. Takim rozdzielonym ładunkiem da się sterować polem elektrycznym – i właśnie na tym opiera się pomysł, żeby zamiast ogrzewać reaktor, po prostu podłączyć go do prądu.
Sztuczka polega na modulacji mocy wejściowej: impulsy trwające od nanosekund do mikrosekund pozwalają precyzyjnie kontrolować, ile wysokoenergetycznych elektronów powstaje. Cząsteczki gazu wokół nich pozostają przy tym schłodzone. Ta metoda wzbudzania elektrycznego nazywa się szybką modulacją plazmy, a jej efektem jest zimna plazma i procesy oparte na plazmie nietermicznej, w skrócie NTP.
Zyskuje na tym wydajność reakcji chemicznej i efektywność energetyczna. Ważniejsze jest jednak to, że w takich warunkach da się w ogóle ruszyć cząsteczki, które normalnie reagują niechętnie: dwutlenek węgla, dwuatomowy azot, metan i wodę – i to w temperaturach oraz pod ciśnieniem zbliżonym do warunków otoczenia.
Wzbudzenie cząsteczek to dopiero połowa roboty. Żeby z reakcji wyszedł konkretny, pożądany związek, a nie mieszanina wszystkiego, potrzebny jest katalizator. Tyle że tutaj klasyczne podejście zawodzi: katalizator potrafi zatrzymać reakcję cząsteczek, które plazma dopiero co aktywowała. Projekt SCOPE, finansowany ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych, zajął się więc badaniem i modelowaniem synergii między plazmą nietermiczną a katalizatorami stałymi – takiej, która daje więcej niż suma obu z osobna.
Zespół sprawdził swoje podejście tam, gdzie stawka jest największa. Procesy oparte na plazmie nietermicznej biegną w bardzo łagodnych warunkach w porównaniu z konwencjonalną katalizą termiczną, mają ślad węglowy mniejszy nawet o ponad 90% i pozwalają zasilić chemię energią odnawialną. Trafiły do trzech reakcji istotnych z punktu widzenia przemysłu:
Najdalej posunięty jest pierwszy z tych wątków. „W ramach projektu opracowaliśmy między innymi nowe procesy umożliwiające rozproszoną produkcję nawozów z azotu atmosferycznego” wyjaśnia Gabriele Centi, koordynator projektu z ramienia Instytutu Technologii Przemysłowych Uniwersytetu w Mesynie we Włoszech. „Nawozy syntetyczne są kluczem do zapewnienia globalnego bezpieczeństwa żywnościowego, ponieważ stanowią źródło azotu niezbędnego z punktu widzenia upraw żywności dla prawie połowy ludności świata”.
Rozproszona produkcja oznacza instalację tam, gdzie nawóz jest potrzebny, zamiast jednej wielkiej fabryki i długiego transportu.
„Zimną plazmę charakteryzuje niezwykła wszechstronność zastosowań, a jej wykorzystanie może przełożyć się na bardziej zrównoważoną produkcję, wydajniejsze rolnictwo, sprawniejszą opiekę zdrowotną, skuteczniejszą ochronę środowiska, a nawet rozwój przemysłu spożywczego” zauważa Centi. W rolnictwie chodzi o obróbkę nasion przed wysiewem, bez środków chemicznych: lepsze wchłanianie wody, wyższy współczynnik kiełkowania, silniejszy wczesny wzrost roślin.
W przemyśle spożywczym plazma reguluje tworzenie się kryształów w czekoladzie – połysk, konsystencja i charakterystyczny odgłos trzasku wychodzą w kilka minut zamiast kilku godzin klasycznego temperowania. Na liście badanych zastosowań są jeszcze sterylizacja urządzeń medycznych, opracowywanie nowych materiałów oraz oczyszczanie zanieczyszczonego powietrza i wody.
Taka chemia to w praktyce praca na parametrach: długość impulsu, skład gazu, rodzaj katalizatora, warunki na wejściu i produkt na wyjściu. Kierunki, które do niej prowadzą, to chemia, inżynieria chemiczna i technologia procesów, a coraz częściej także inżynieria materiałowa i energetyka. Wspólny mianownik jest jeden – trzeba lubić zmieniać jedną rzecz naraz i sprawdzać, co z tego wyszło.
Plazma nietermiczna pozwala prowadzić reakcje w łagodnych warunkach i zasilać je energią odnawialną zamiast paliw kopalnych. W projekcie SCOPE połączono ją z katalizatorami stałymi i sprawdzono na wiązaniu azotu, przerobie metanu i przetwarzaniu dwutlenku węgla, przy śladzie węglowym mniejszym nawet o ponad 90%. Poza wielką chemią ta sama technologia trafia na pole, do szpitala i do fabryki czekolady.
5 pytań · minuta · bez zapisywania
poleca:
