ELEMENTS - silový materiál vyrobený z kyslíka

TEXTOVÝ BERND KALTWASSER

Kozmetika, čistenie, mikroelektronika - peroxid vodíka už dve storočia podporuje inovatívne aplikácie v chémii. Ako ďalšie palivo pre rakety teraz kombinácia vodíka a kyslíka tiež významne prispieva k ekologickejšiemu cestovaniu vesmírom.

TEXTOVÝ BERND KALTWASSER

Pred tromi hodinami bol západ slnka, teraz je džungľa ponorená do hlbokej tmy. Noc končí ostnatým plotom, ktorý sa tiahne tropickou krajinou. Za ním: vesmírna raketa vysoká viac ako 46 metrov, zahalená do očí bijúcim svetlom reflektormi. Z reproduktora je počuť hlas Directeur des Opérations oznamujúci blížiaci sa štart vo francúzštine: „À tous de DDO: Attention pour moins d’une minute.“

Kozmický prístav Kourou, Francúzska Guyana, 6. novembra 2018, 21.46 h miestneho času. Beží na poslednú chvíľu pred vypustením rakety Sojuz, s ktorou má byť na svoju cestu do vesmíru vyslaný meteorologický satelit „Metop-C“. Na palube: peroxid vodíka (H₂O₂) od spoločnosti Evonik. Túto podívanú je možné vidieť na videu od vesmírnej spoločnosti Arianespace. 20 sekúnd pred štartom: záblesk svetla vznieti mohutné motory, ktoré majú zdvihnúť monštrum vážiace viac ako 300 ton na oblohu. Rev a syčanie, ktoré napučia. Výkon sa krok za krokom zvyšuje, nakoniec posilňovač a hlavný motor každú sekundu spália viac ako 450 kilogramov petroleja a 1 100 kilogramov tekutého kyslíka. Riadiace stredisko opäť hlási: „Pozor, le le décompte final.“ Posledné sekundy bežia. „... trois, deux, unité.“ Celá štartovacia plošina je zahalená oranžovou žiarou. „Top, décollage ...“ Raketa majestátne tlačí do neba. Letí oblúkom, stúpa stále vyššie. Asi hodinu po štarte hovorkyňa európskej meteorologickej satelitnej organizácie Eumetsat oznámila, že boli zachytené prvé signály z „Metop-C“: misia bola úspešná.

Peroxid vodíka:
Všestranné pripojenie

Peroxid vodíka (H₂O₂) je číra, bezfarebná kvapalná zlúčenina vyrobená z kyslíka a vodíka. Bol objavený v roku 1818 Louis Jacques Thénard, ako toto Peroxid bárnatý S kyselina dusičná necháme reagovať. Odvtedy slúži peroxid vodíka ako silný Oxidačné činidlo. Používa sa na výrobu bieliacich prostriedkov, napríklad papiera, textilu alebo vlasov. Používa sa tiež ako dezinfekčný a čistiaci prostriedok v domácnosti. Peroxid vodíka sa rozkladá na vodu a kyslík.

Louis Jacques Thénard: Francúzsky chemik, 1777-1857
Peroxid bárnatý (BaO₂): chemická kombinácia bária a kyslíka
Kyselina dusičná (HNO₃): Kyslíkatá kyselina dusíka
Oxidačné činidlo: Prvok alebo zlúčenina, ktorá oxiduje iné látky prijímaním elektrónov

Evonik v tom zohral kľúčovú úlohu: „Dnes má každá raketa Sojuz už na palube okolo desať ton vysoko čistého a vysoko koncentrovaného H₂O₂. To poháňa turbočerpadlá, ktoré tlačia skutočné palivo do spaľovacej komory pri vysokom tlaku, “uvádza Dr. Stefan Leininger, ktorý je zodpovedný za obchod so spoločnosťou H₂O₂ pre špeciálne aplikácie v segmente efektívnosti zdrojov spoločnosti Evonik. Desať ton, to je stále zvládnuteľné množstvo. Ako jeden z popredných svetových výrobcov môže spoločnosť Evonik každý rok vyrobiť viac ako 950 000 ton peroxidu vodíka na 13 miestach na šiestich kontinentoch.

Kvapalná kombinácia vodíka a kyslíka je známa už dve storočia (pozri kroniku), naďalej si však dobýva nové trhy. H₂O₂ a ďalšie peroxidy sa dnes používajú v tak rozmanitých oblastiach, ako je polovodičový priemysel, výroba papiera alebo potravinárska technológia. „Je to nielen kvôli dobrej ekologickej kompatibilite materiálu a jeho účinnosti,“ hovorí Leininger.

„Skutočnosť, že H₂O₂ neustále dobýva nové trhy, je dôsledkom dobrej environmentálnej kompatibility a efektívnosti.“

Tieto aspekty sú čoraz dôležitejšie aj pri cestovaní vesmírom. Trh je v stave revolúcie: dopredu sa presadzujú súkromní poskytovatelia ako SpaceX na čele s vynálezcom spoločnosti Tesla Elonom Muskom a konkurenti Blue Origin, OneWeb a Rocketlab, ktorých zakladateľom je šéf Amazonu Jeff Bezos. V roku 2018 vzlietlo 114 rakiet - viac ako kedykoľvek predtým za rok. Zároveň sa zmenšuje priemerná veľkosť satelitov, ktoré sú vynášané do vesmíru raketami. Čoraz častejšie sa používajú takzvané nanosatelity (do desať kilogramov hmotnosti) a mikrosatelity (do 100 kilogramov hmotnosti). Podľa prognózy poradenskej spoločnosti Spaceworks Inc. by mohlo byť v najbližších piatich rokoch vypustených až 2 600 malých umelých satelitov. Trend je zároveň smerom k menším raketám.

„Celý trh sa ešte len chystá prejsť ďalším vývojovým krokom,“ hovorí Leininger. „Pre svoju ľahkú manipuláciu hrá H₂O₂ dôležitú úlohu ako palivo.“ Túto úlohu doteraz prevzal napríklad hydrazín alebo jeho deriváty. Je však podozrenie, že hydrazín spôsobuje rakovinu, a preto môže byť jeho použitie v EÚ v budúcnosti zakázané. H₂O₂ by bola čistou alternatívou: pri kontakte s vhodným katalyzátorom sa raketové palivo rozkladá na vodnú paru a kyslík, pričom vytvára veľa tepla.

ZELENÁ ROCKETRY

H₂O₂ teda podporuje globálny trend: pod heslom „Zelená raketová technika“ sa veľa hráčov snaží dosiahnuť, aby bolo cestovanie vesmírom udržateľnejšie a šetrnejšie k životnému prostrediu. Toto je okrem ekonomických aspektov aj cieľ prípravného programu Future Launchers (FLPP), v ktorom Európska vesmírna agentúra ESA skúma technológie pre nasledujúcu generáciu rakiet. „Palivá šetrné k životnému prostrediu sú pre nás dôležité,“ hovorí Jan Wörner, generálny riaditeľ Európskej vesmírnej agentúry (pozri rozhovor). Vesmírna agentúra propaguje trvalo udržateľný rozvoj na zemi už mnoho rokov a bude v tom pokračovať aj v budúcnosti.

Krok v tomto smere umožňuje projekt „Hyprogeo“, ktorý financovala Európska komisia v rámci rámcového programu pre výskum „Horizon 2020“ (kód financovania: 634534 HYPROGEO). Cieľom bolo skonštruovať hybridný raketový motor, ktorý spaľuje polyetylén na tuhé palivo a ako oxidačné činidlo používa peroxid vodíka. „Našou úlohou ako projektového partnera bolo vyrobiť čo najvyššiu koncentráciu H₂O₂,“ vysvetľuje Leininger. Spoločnosť Evonik špeciálne pre tento účel vyvinula proces, ktorý poskytuje látku v koncentrácii až 98 percent - čo je najvyššia hodnota pre priemyselnú výrobu. „Zatiaľ čo skutočný výrobný proces pre H202 produkuje 40 až 50 percentné riešenie, požadovaná konečná koncentrácia sa dosahuje následnou destiláciou a kryštalizáciou,“ vysvetľuje Leininger.

Použitie pri sanácii pôdy a čistení odpadových vôd

Peroxid vodíka tiež rozvíja svoju inovatívnu silu v environmentálnych aplikáciách, ako sú sanácia pôdy alebo čistenie odpadových vôd. V USA čističky často chlórujú vyčistenú odpadovú vodu predtým, ako ju vypustia späť do riek alebo jazier. Už niekoľko rokov podporuje agentúra EPA (Environmental Protection Agency) použitie alternatívnych metód. Patrí sem aj čistenie splaškových vôd vodou alebo kyselinou peroctovou (PAA). Ekologické riešenie, pretože pri použití týchto dvoch peroxidov sú jedinými vedľajšími produktmi voda a ľahko biologicky odbúrateľná kyselina octová.

Ako silné oxidačné činidlo pôsobia peroxidy na choroboplodné zárodky prítomné v odpadovej vode. Vírusy, baktérie a iné mikróby sú ničené nešpecifickými mechanizmami účinku. „Peroxidy prenikajú do bunkového obalu mikroorganizmov a menia ho tak, že stráca svoju bariérovú funkciu,“ hovorí expert Evonik Leininger. Okrem toho sa enzýmy vo vnútri bunky oxidujú a tým sa nenávratne poškodia. Obe spôsobujú kolaps bunkového metabolizmu. Najmä PAA sa ukázala ako silný dezinfekčný prostriedok. Iba stotina zodpovedajúcej dávky H₂O₂ má porovnateľný účinok. „Vďaka lipofilným vlastnostiam acetylovej časti molekuly môže PAA obzvlášť ľahko preniknúť do bunkovej membrány,“ vysvetľuje Leininger. Navyše, PAA - na rozdiel od H₂O₂ - sa nemôže štiepiť pomocou špeciálneho enzýmu, mikrobiálnej katalázy. Mechanizmy rezistencie proti PAA preto nie sú zatiaľ známe.

Je to také zelené vďaka H soO₂

pomocou vody, vzduchu a elektriny

Čoraz viac obcí v USA oceňuje tieto výhody. Pred niekoľkými rokmi napríklad mesto Memphis so 650 000 obyvateľmi prijalo zásadné rozhodnutie odteraz používať PAA na čistenie odpadových vôd. Zodpovední sa dohodli s americkou spoločnosťou PeroxyChem na dlhodobej dodávateľskej zmluve s bezpodmienečnými platobnými záväzkami. Výsledkom bolo, že výrobca peroxidu začal pred dvoma rokmi plánovať novú továreň na PAA v regióne. Začiatkom novembra 2018 Evonik oznámil, že prevezme PeroxyChem.

Peroxidy ako H₂O₂ a PAA nielenže znižujú množstvo zárodkov. Taktiež vylučujú slabo odbúrateľné organické stopové látky, ktoré by mohli byť problémom pri vypúšťaní splaškových vôd do povrchových vôd. Ďalej sa peroxid vodíka používa na detoxikáciu odpadových vôd obsahujúcich kyanid, ktoré sa vyrábajú v závodoch na elektrolytické pokovovanie, v kaliarňach, v hornom plyne z vysokých pecí alebo v baniach. H202 oxiduje kyanid na kyanát, ktorý sa hydrolyzuje na amoniak a kyselinu uhličitú. V elektrolytických zariadeniach sa peroxid vodíka používa aj na opätovnú oxidáciu oxidov dusíka, ktoré vznikajú z kyseliny dusičnej pri leptaní, na kyselinu dusičnú.

Samotný H₂O₂ s niektorými znečisťujúcimi látkami nemôže nič robiť. Napríklad pri odstraňovaní benzénov alebo fenolov z odpadových vôd používajú chemici trik: peroxid vodíka sa štiepi na hydroxylové radikály (• OH) dvojmocnými iónmi železa (Fe2 +), UV žiarením alebo ozónom. Tento radikál je jedným z najsilnejších oxidačných činidiel v okolí a reaguje s takmer všetkými organickými zlúčeninami.

Peroxid vodíka:

201 rokov inovácií