Σε ένα snapshot από το μέλλον, το πλήρωμα σκαφών και υποβρύχιων οχημάτων δεν θα πετά τα άδεια αλουμινένια κουτάκια από τα αναψυκτικά στα σκουπίδια, αλλά θα μαζεύει θαλασσινό νερό για να τα γεμίσει, θα τους προσθέτει και λίγο κατακάθι του καφέ και θα παράγει… καύσιμο! Και συγκεκριμένα υδρογόνο.
Αυτό ακριβώς, αλλά όχι με τόσο απλοϊκό τρόπο οραματίστηκαν μηχανικοί του MIT, όταν παρατήρησαν πως το ανακυκλωμένο αλουμίνιο από αναψυκτικά και από άλλες πηγές, όταν αναμειγνύεται, στην καθαρή του μορφή, με θαλασσινό νερό, σχηματίζει φυσαλίδες και παράγει φυσικά υδρογόνο - ένα αέριο που στη συνέχεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία ενός κινητήρα ή μιας κυψέλης καυσίμου χωρίς να εκπέμπει άνθρακα. Επιπλέον, αυτή η απλή αντίδραση μπορεί να επιταχυνθεί προσθέτοντας ένα κοινό διεγερτικό και συγκεκριμένα την καφεΐνη.
Η ομάδα του MIT, με επικεφαλής τον Douglas P.Hart αναπτύσσει αποτελεσματικές και βιώσιμες μεθόδους για την παραγωγή αερίου υδρογόνου, το οποίο θεωρείται μια «πράσινη» πηγή ενέργειας που θα μπορούσε να τροφοδοτήσει κινητήρες και κυψέλες καυσίμου χωρίς παραγόμενες εκπομπές που θερμαίνουν το κλίμα.
Στη συγκεκριμένη περίπτωση, οι ερευνητές πειραματίστηκαν με το αλουμίνιο, λόγω της άφθονης διαθεσιμότητας και της σταθερότητάς του και ανέπτυξαν έναν συμπαγή αντιδραστήρα που χρησιμοποιεί σφαιρίδια αλουμινίου, ένα κράμα γαλλίου-ινδίου, λίγο κατακάθι του καφέ και θαλασσινό νερό για να παραγάγουν υδρογόνο κατόπιν ζήτησης, το οποίο χρησιμοποιείται ως καύσιμο.
Πώς γίνεται…
Στη σχετική μελέτη με επικεφαλής συγγραφέα τον διδακτορικό φοιτητή Aly Kombargi που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Cell Reports Physical Science, οι ερευνητές περιγράφουν τον τρόπο να παράγουν αέριο υδρογόνο ρίχνοντας σφαιρίδια αλουμινίου σε μέγεθος βότσαλου μέσα σε ένα ποτήρι με φιλτραρισμένο θαλασσινό νερό.
Το αλουμίνιο των σφαιριδίων υφίσταται μια προεπεξεργασία με ένα κράμα σπάνιων μετάλλων και συγκεκριμένα γαλλίου και ινδίου που το ‘καθαρίζουν’ αποτελεσματικά. Το κράμα που χρησιμεύει ως «ενεργοποιητής», απομακρύνει κάθε συσσώρευση οξειδίου, δημιουργώντας έτσι μια επιφάνεια καθαρού αλουμινίου που μπορεί να αντιδράσει με το θαλασσινό νερό για να παραγάγει υδρογόνο.
Όταν οι ερευνητές «έτρεξαν» την αντίδραση με φρέσκο, απιονισμένο νερό, διαπίστωσαν ότι ένα προεπεξεργασμένο σφαιρίδιο αλουμινίου παρήγαγε 400 χιλιοστόλιτρα υδρογόνου σε μόλις πέντε λεπτά. Υπολογίζουν δε, ότι μόνο 1 γραμμάριο πέλλετ αλουμινίου μπορεί να παραγάγει 1,3 λίτρα υδρογόνου στον ίδιο χρόνο.
«Όταν το αλουμίνιο έρχεται σε επαφή με το νερό, λαμβάνει χώρα μια απλή χημική αντίδραση που παράγει υδρογόνο και θερμότητα. Ωστόσο, πρέπει να είναι σε καθαρή μορφή για να παραγάγει υδρογόνο. Μόλις το αλουμίνιο εκτεθεί σε οξυγόνο, όπως στον αέρα, σχηματίζει ένα λεπτό στρώμα οξειδίου στην επιφάνειά του που λειτουργεί ως ασπίδα, αποτρέποντας περαιτέρω αντιδράσεις και ειδικά την διάβρωση. Αυτό το στρώμα οξειδίου είναι ο λόγος που το υδρογόνο δεν σχηματίζεται αμέσως όταν γεμίζει ένα κουτάκι αναψυκτικού με το ποτό», εξηγεί ο Έλληνας μηχανικός στο ΜΙΤ, Νίκος Τσακίρης, ο οποίος ολοκλήρωσε τις σπουδές του στη Μηχανολογία και την Επιχειρηματικότητα και συμμετείχε στο συγκεκριμένο πρότζεκτ συνεισφέροντας στον σχεδιασμό και την κατασκευή ενός αντιδραστήρα για την δοκιμή των θεωρητικών προβλέψεων της ομάδας.
Οι μηχανικοί του MIT Aly Kombargi (αριστερά) και Νίκος Τσακίρης (δεξιά) εργάζονται σε έναν νέο αντιδραστήρα υδρογόνου, σχεδιασμένο να παράγει αέριο υδρογόνο από την ανάμιξη σφαιριδίων αλουμινίου με θαλασσινό νερό. ΦΩΤΟ: Tony Pulsone/ΜΙΤ
Όπως λέει ο ίδιος, για την περαιτέρω κλιμάκωση του συστήματος χρειαζόταν σημαντική παροχή κράματος γαλλίου-ινδίου, το οποίο είναι σχετικά ακριβό και σπάνιο. Έτσι οι επιστήμονες έπρεπε να σκεφτούν τρόπους για την ανακύκλωση αυτού του κράματος μετά την αντίδραση και για μεταγενέστερη χρήση, πράγμα που το πέτυχαν με τη χρήση ενός διαλύματος ιόντων από το θαλασσινό νερό. Τα ιόντα, άτομα ή μόρια με ηλεκτρικό φορτίο προστατεύουν το κράμα μετάλλων από την αντίδραση με το νερό και το βοηθούν να καθιζάνει σε μια μορφή που μπορεί να ανακτηθεί και να επαναχρησιμοποιηθεί για την παραγωγή περισσότερου υδρογόνου, σε έναν βιώσιμο κύκλο.
«Τα ιόντα στο θαλασσινό νερό θωρακίζουν το κράμα και έτσι το ευτηκτικό μείγμα γαλλίου-ινδίου δεν αντιδρά και μπορεί να ανακτηθεί. Αυτό είναι πολύ ενδιαφέρον για ναυτιλιακές εφαρμογές στο μέλλον γιατί δεν θα χρειάζεται η μεταφορά θαλασσινού νερού, αφού θα είναι άμεσα διαθέσιμο, αλλά ούτε και η εγκατάσταση μιας δεξαμενής υψηλής πίεσης για τη μεταφορά του υδρογόνου, που είναι ακριβή. Αντίθετα, θα μεταφέρουμε το αλουμίνιο ως «καύσιμο» και απλώς θα προσθέτουμε νερό για να παραγάγουμε το υδρογόνο που χρειαζόμαστε μειώνοντας δραματικά το κόστος μετάβασης σε εναλλακτικά καύσιμα», προσθέτει ο Νίκος Τσακίρης.
Επιταχύνοντας την διαδικασία…
Οι μηχανικοί διαπίστωσαν επίσης ότι η προσθήκη αλουμινίου στο φιλτραρισμένο θαλασσινό νερό παρήγαγε υδρογόνο με πιο αργό ρυθμό από ό,τι στο γλυκό νερό, εξαιτίας του φραγμού που σχηματίζουν τα ιόντα του θαλασσινού νερού γύρω από το αλουμίνιο. Για να επιταχύνουν την διαδικασία, οι ερευνητές δοκίμασαν διάφορα αντισυμβατικά υλικά, όπως π.χ. την καφεΐνη.
Προσθέτοντας στο μείγμα μια μικρή συγκέντρωση ιμιδαζόλης (που είναι ένα ενεργό συστατικό της καφεΐνης), οι μηχανικοί μείωσαν τον χρόνο παραγωγής υδρογόνου από τις δύο ώρες στα πέντε λεπτά. Όπως λένε οι ίδιοι, η ιμιδαζόλη στην καφεΐνη τυγχάνει να έχει μια μοριακή δομή που μπορεί να διαπεράσει το αλουμίνιο (επιτρέποντας στο υλικό να συνεχίσει να αντιδρά με νερό), ενώ αφήνει ανέπαφη την ιοντική ασπίδα του κράματος ινδίου-γαλλίου.
«Η προσθήκη πολύ χαμηλών συγκεντρώσεων (0,02 M) ιμιδαζόλης στο θαλασσινό νερό οδηγεί σε γρήγορες αντιδράσεις που ολοκληρώνονται σε λιγότερο από 10 λεπτά, επιτρέποντας την ανάκτηση και επαναχρησιμοποίηση άνω του 90% του σχετικά δαπανηρού κράματος γαλλίου-ινδίου και την παραγωγή κατά 99% του αναμενόμενου υδρογόνου με βάση τη μάζα του αλουμινίου», προσθέτει ο Έλληνας επιστήμονας, ο οποίος προχωρά τώρα μετακινείται σε ένα άλλο εργαστήριο του ΜΙΤ με επικεφαλής τον καθηγητή K. Varanasi για να εργαστεί πάνω στη κλιμάκωση της δέσμευσης διοξειδίου του άνθρακα από την θάλασσα (direct ocean capture).
Ένας ερευνητής της ομάδας επιδεικνύει την «ενεργοποίηση» του αλουμινίου βυθίζοντας ένα σφαιρίδιο αλουμινίου σε ένα μείγμα γαλλίου-ινδίου. ΦΩΤΟ: Tony Pulsone/ΜΙΤ
Η ερευνητική ομάδα πιστεύει ότι ένας τέτοιος μικρός αντιδραστήρας, όπως αυτός που περιγράφηκε παραπάνω θα μπορούσε να λειτουργήσει σε ένα σκάφος ή σε ένα υποβρύχιο όχημα. Το σκάφος θα είχε ένα απόθεμα πέλλετ αλουμινίου (από ανακυκλωμένα παλιά κουτιά αναψυκτικού και άλλα προϊόντα αλουμινίου), μαζί με μια μικρή ποσότητα γαλλίου-ινδίου και καφεΐνης. Αυτά τα συστατικά θα μπορούσαν να διοχετεύονται περιοδικά στον αντιδραστήρα, μαζί με θαλασσινό νερό από το περιβάλλον για την παραγωγή υδρογόνου ανάλογα με τη ζήτηση. Το υδρογόνο θα μπορούσε στη συνέχεια να τροφοδοτήσει τον κινητήρα επί του σκάφους ή να παραγάγει ηλεκτρική ενέργεια. Σύμφωνα με σχετικές εκτιμήσεις, ένας αντιδραστήρας με περίπου 40 κιλά σφαιρίδια αλουμινίου θα μπορούσε να τροφοδοτήσει ένα μικρό υποβρύχιο ανεμόπτερο για 30 ημέρες χρησιμοποιώντας το θαλασσινό νερό που το περιβάλλει για να παράγει υδρογόνο για τον κινητήρα.
Η νέα προσέγγιση της ομάδας του MIT μειώνει τους κινδύνους και τις επιπλοκές που σχετίζονται με τη μεταφορά υδρογόνου και θα μπορούσε ενδεχομένως να φέρει ‘επανάσταση’ στον τρόπο τροφοδοσίας οχημάτων που κινούνται στη θάλασσα, προσφέροντας μια καθαρότερη εναλλακτική λύση στα παραδοσιακά ορυκτά καύσιμα. Καθώς ο κόσμος παλεύει με την κλιματική αλλαγή και αναζητά πιο ‘πράσινες’ εναλλακτικές λύσεις στα παραδοσιακά ορυκτά καύσιμα, καινοτομίες όπως αυτή θα μπορούσαν να διαδραματίσουν καθοριστικό ρόλο στη μετάβαση.
«Μετατρέποντας τα κοινά απόβλητα σε πολύτιμη πηγή ενέργειας, μπορούμε να εργαστούμε για ένα καθαρότερο και πιο βιώσιμο μέλλον. Η ενσωμάτωση της καφεΐνης σε αυτή τη διαδικασία παρουσιάζει επίσης ενδιαφέρουσες δυνατότητες βελτιστοποίησης και προσαρμογής στην παραγωγή καυσίμου», συμπληρώνει ο Νίκος Τσακίρης.
Στη μελέτη εκτός από τον Έλληνα επιστήμονα συμμετείχε ο χημικός μηχανικός Enoch Ellis και ο μηχανικός Peter Godart, ο οποίος έχει ιδρύσει την εταιρεία «Found Energy» για την ανακύκλωση αλουμινίου και τη χρήση του ως πηγή καυσίμου υδρογόνου.
Γενικότερα το αλουμίνιο τείνει να θεωρείται ως το καύσιμο του μέλλοντος γιατί έχει μεγάλη ενεργειακή πυκνότητα (το αλουμίνιο αποθηκεύει την ίδια ποσότητα ενέργειας με το ντίζελ στον μισό όγκο) και διάρκεια ζωής. Το αλουμίνιο δεν υποβαθμίζεται εύκολα, έτσι είναι ιδανικό για αποθήκευση με ασφάλεια και μεταφορά ενέργειας, ενώ είναι το πιο άφθονο μέταλλο στον φλοιό της Γης (8,1% του φλοιού). Τέλος, μεταφέρεται εύκολα και με ασφάλεια-περίπου 80 εκατομμύρια τόνοι διακινούνται παγκοσμίως σε ετήσια βάση-χωρίς να απαιτεί ιδιαίτερη υποδομή.
{https://www.youtube.com/watch?v=QIowXoHPeFk&t=5s}
