Związki krzemu - nowa metoda...

[20 lutego 2001, 14:47]
Chemia: Związki krzemu - nowa metoda otrzymywania azotku krzemu, "elektrownie piaskowe" - bezpieczne źródło energii.

Wszystkie najnowsze technologie w XXI wieku będą się opierały na związkach krzemu. Pierwiastek ten stanie się składnikiem nowego tworzywa, które zastąpi stosowane obecnie mało wytrzymałe stopy metali, będzie wykorzystywany w produkcji części do silników czy ostrzy skrawających. Posłuży także do wyjątkowo bezpiecznego magazynowania i transportu energii. Wszystko to będzie możliwe dzięki przypadkowemu odkryciu niemieckich naukowców.

Ta niezwykła historia zaczęła się wiosną 1998 r. W jednym z silosów koncernu chemicznego Wackcr w bawarskim Burghauscn nagle niebezpiecznie wzrosła temperatura. Zgromadzone we wnętrzu obiektu krzemowe drobiny i tlenek miedzi (odpady powstałe po produkcji silikonu) z nieznanych przyczyn weszły ze sobą w reakcję. Prawdopodobnie nastąpił samozapłon. W wyniku tego procesu wydzieliła się duża ilość energii cieplnej. Urządzenia pomiarowe uparcie wskazywały 200°C - maksymalna wartość na skali. Aby powstrzymać reakcję i nie dopuścić do dalszego nagrzewania się zbiorników, wpompowano do nich azot, co dotychczas zdawało egzamin. Tym razem zabieg się nie powiódł. W silosie odkryto za to cenny produkt - azotek krzemu.

Nad tanią technologią otrzymywania tego związku pracują naukowcy z całego świata. Uważa się go za kamień syntetyczny XXI wieku, jest bowiem bardzo odporny chemicznie, a do tego lekki i bardzo twardy. W odróżnieniu od stopów metali nie działa na niego ani wysoka temperatura (rzędu 1300°C), ani tlen. Ze względu na trwałość już dziś bywa wykorzystywany w produkcji części do silników (zarówno samolotowych, samochodowych, jak i stosowanych w statkach kosmicznych), ostrzy skrawających oraz specjalnych konstrukcji. - Gdyby udało się go wytwarzać przy mniejszych nakładach energetycznych, doszłoby do rewolucji. Zastąpiłby znaczną część produkcji przemysłu hutniczego - uważa dr hab. Sławomir Podsiadło z Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej. Z odpadowego azotku krzemu można by też wytwarzać niezbędny w nowoczesnym rolnictwie amoniak, składnik nawozów sztucznych. Japonia przystąpiła nawet do budowy kolejnych elektrowni atomowych, aby umożliwić rozwój nowej gałęzi przemysłu.

Awaria w fabryce Wackera niespodziewanie przyniosła rozwiązanie problemu, nad którym od lat bezskutecznie głowił się prof. Norbert Auner z Uniwersytetu Johanna Wolfganga Goethego we Frankfurcie nad Menem. Spontanicznej reakcji spalania krzemu, do jakiej doszło w silosie, towarzyszyło wydzielanie się ogromnej ilości energii cieplnej. Do tej pory naukowcy byli przekonani, że krzem reaguje z tlenem lub azotem jedynie w ekstremalnie wysokich temperaturach (1500-2000°C), i dlatego z punktu widzenia przemysłu energetycznego technologię jego wytwarzania uważano za całkowicie nieopłacalna. Analiza zawartości silosu wykazała jednak, że dzięki dodaniu do sproszkowanego krzemu tlenku miedzi można osiągnąć zamierzony efekt już przy 500°C.

Odkrycie to ma jeszcze jeden aspekt: być może dzięki niemu krzem będzie wykorzystywany jako paliwo w elektrowniach, gdyż doskonale nadaje się do magazynowania energii. Łącząc go z tlenem lub azotem, których w przyrodzie nie brakuje, można uzyskać ogromną ilość ciepła. Energia otrzymana z krzemu jest też wyjątkowo czysta. Podczas spalania tego pierwiastka w powietrzu (czyli w mieszaninie azotu i tlenu) nie wydzielają się gazy cieplarniane, jak choćby dwutlenek węgla. Zamiast popiołu w reaktorach pozostałby czysty piasek i azotek krzemu. Na razie problemem pozostaje wysoka cena pierwiastka: za kilogram (w postaci proszku) trzeba zapłacić kilkanaście dolarów. Niewiele więcej kosztuje tona węgla. Mimo że krzem jest po tlenie najpowszechniejszym pierwiastkiem na naszej planecie, w naturze w czystej postaci praktycznie nie występuje. Najczęściej tworzy związek z tlenem, czyli dwutlenek krzemu, powszechnie zwany kwarcem, stanowiący składnik wielu skał oraz piasku. Proces otrzymywania krzemu z piasku jest jednak bardzo energochłonny.

Krzem mógłby się stać także konkurentem dla wodoru, innego naturalnego nośnika energii, nad którego wykorzystaniem naukowcy pracują już ponad dwadzieścia lat. Nie udało im się jeszcze rozwiązać kilku istotnych problemów. Choć powstały już bezpieczne baterie niklowo-wodorkowe, ze względów technologicznych i ekonomicznych nie produkuje się ich na dużą skalę. Ponadto transport wodoru jest możliwy jedynie po schłodzeniu go w wyniku bardzo energochłonnego procesu do 253°C poniżej zera. Mimo że znajduje się wówczas w stanie płynnym, nadal pozostaje substancją niezwykle lotną. Przenika przez najdrobniejsze nawet pory w stalowych ścianach. Największe zagrożenie stanowią właściwości wybuchowe wodoru - jego najmniejszy wyciek może być przyczyną eksplozji. Do przewozu krzemu nie potrzeba zbiorników ciśnieniowych jak w wypadku wodoru. W razie awarii nie istniałoby nawet najmniejsze ryzyko katastrofy ekologicznej; krzem spoczywający na dnie morza z czasem zamieniłby się w zwykły piasek. Kierowca prowadzący wyładowaną nim ciężarówkę mógłby spokojnie palić papierosy.

Do wykorzystania krzemu w przemyśle energetycznym na większa skalę droga jeszcze daleka. Na rozwiązanie czeka wiele problemów technicznych. Dotychczasowe metody wytwarzania tego pierwiastka są kosztowne i mało wydajne. W dodatku w wyniku tego procesu powstają znaczne ilości dwutlenku węgla. Prof. Norbert Auner przyznał w rozmowie z dziennikarzami "Der Spiegel", że potrzeba co najmniej dziesięciu, dwudziestu lat, by technologia ta mogła być wdrożona. Wówczas czekałaby nas druga rewolucja krzemowa, po pierwszej związanej z gwałtownym rozwojem informatyki.

(TB)