Outoja katalyysitutkimuksia – polttoainetta vedestä tai CO2:sta

Vesi- ja CO2-molekyylimallit. Lähdeviite: ”Water molecule 3D” by Dbc334 (first version); Jynto (second version) – File:Water-3D-vdW.png. Licensed under Public Domain via Wikimedia Commons – https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Water_molecule_3D.svg#/media/File:Water_molecule_3D.svg
”Carbon-dioxide-3D-vdW” by Jacek FH – Oma teos based on Image:Carbon-dioxide-3D-vdW.png. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons – https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Carbon-dioxide-3D-vdW.svg#/media/File:Carbon-dioxide-3D-vdW.svg

Jatketaanpa nyt outojen tutkimusten parissa, kun edellisessä artikkelissa päästiin alkuun. Tämäkertaisena aiheena on veden tai hiilidioksidin käyttö polttoaineena tai polttoaineiden raaka-aineena.

Oma ehdotukseni

Räväkästi aloitankin hiilidioksidin käyttämisen energiantuottoon hyvin tunnetulla reaktioyhtälöllä 1 (Linkki).

2 Mg(s) + CO₂ 2 MgO(s) + C(s) (Reaktioyhtälö 1) (lämpöä vapautuu n. 800 kJ/mol)

Hiilidioksiditonnia kohti lämpöenergiaa on käytettävissä n. (800 kJ/mol) /(44 g/mol) *10^6 g/tn= 18 GJ/tn = 5 MWh/tn. Tuollapa energiamäärällä saattaisi saada pidettyä mökkinsä lämmössä leutona talvena. Kun reaktio vielä tapahtuu varsin korkeassa lämpötilassa, siitä voisi saada myös valaistuksen.

Mutta ei tässä kaikki. Reaktioyhtälön 1 oikealla puolella oleva hiilihän on poltettavissa, reaktioyhtälön 2 mukaisesti.

C + O₂ CO₂ (Reaktioyhtälö 2) (lämpöä vapautuu n. 390 kJ/mol)

Hiilitonnia kohti lämpöenergiaa on käytettävissä n. (390 kJ/mol) /(12 g/mol) *10^6g/tn = 32 GJ/tn = 9 MWh/tn. Reaktioyhtälön 1 mukaan tonnista hiilidioksidia muodostuisi vain 273 kg hiiltä, jolloin tälle määrälle laskettuna energiaakin olisi käytössä vain n. 2,5 MWh. Siis vain puolet hiilidioksidin magnesiumpelkistyksen tuottamasta energiasta! Koska massa ei kemiallisissa reaktioissa häviä, reaktiossa 2 muodostuu hiilidioksidia täysi tonni em. hiilimäärästä.

Eikä tässäkään vielä kaikki. Reaktioyhtälön 2 oikealta puolelta vapautuva hiilidioksidihan on käytettävissä reaktiossa 1. Olisiko tässä nyt loputtomasti energiaa tarjolla?

Viruspohjainen nanoreaktori vedyn valmistukseen vedestä

Vuoden alkupäivinä olin saada ylimääräistä verenpainetta lukiessani Science Dailyn artikkelia, jossa kerrottiin eräänlaisen entsyymikompleksin ”tuottavan energiaa vedestä” (Linkki). Sanotaanhan alaotsikossa: ”…renewable material used in generating power from water”.  Kun luin sitten tutkielman tiivistelmän (Linkki), niin kaikkien viruksen kuorien ja entsyymien seasta hyvin pienellä merkittynä löytyi metyyliviologeeni-yhdiste (Linkki). Viologeeni-yhdisteryhmälle on tyypillistä herkkyys reversiibeleihin hapetus-pelkistysreaktioihin (Linkki). Todellinen kemiallinen potentiaali vedyn tuottoon olikin kotoisin metyyliviologeenin kautta sähkövirrasta tai ditioniitti-ionista. Käytetty hydrogenaasi-entsyymi ei määrännyt reaktion suuntaa, mutta vaikutti toki reaktion nopeuteen katalyyttina. Viruksen kuoret edelleen stabiloivat katalyyttiä. Tähän nähden tutkijat vaikuttavat hieman termodynaamiikasta pihalla olevilta korostaessaan, että katalyytti edistää reaktiota kumpaan suuntaan tahansa. Kysehän on aina tasapainoa kohti etenemisestä ja kemiallinen potentiaali tulee aina jostain muualta kuin katalyytista.

Vaikka vedestä ei olekaan polttoaineeksi, voinen tähän lisätä vertailuksi vedyn valmistuksen vesihöyrystä ja magnesiumista (Linkki), joka tuottaa vedyn lisäksi lämpöenergiaa (Linkki).

Mg(s)+H₂O(g) MgO(s)+H₂(g) (lämpöä vapautuu n. 360 kJ/mol) (Reaktioyhtälö 3)

CO2 polttoaineiden valmistuksessa

Miksei kukaan ole vielä keksinyt tehdä tuhkasta halkoja?  Jätän nyt vastaamatta, mutta miltei yhtä loistava idea, valmistaa hiilidioksidista polttoainetta (Linkki), on ollut paljonkin esillä. Erääseen uusimmista ideoista tällä alalla törmäsin US Puheenvuoron blogikommentissa (Linkki). Itse tutkimuksen tiivistelmä löytyy Naturesta (Linkki). Hieman vaikuttaa hehkutukselta, kun elektrolyyttisesti valmistettu tuote on natriumformiaattia, eli muurahaishapon suolaa. Toki siitä muurahaishappoakin saa, mutta ei sitä kukaan tankkiinsa huoli. Vaatisi siis ainakin ihan uuden teknologian kehittämistä ajoneuvoihin ja sen lisäksi muurahaishapon valmistukseen hiilidioksidista vaaditaan aina energiaa. Toisenlaisesta näkövinkkelistä asiaa on lähestytty jo aiemmin (Linkki). Esimerkiksi raudalla pelkistäen muurahaishapon valmistus hiilidioksidista onnistuu (LinkkiPDF).

Muurahaishappo on muuten ihmistä, monia metalleja ja muoveja syövyttävää, nykyisiin polttomoottoreihin täysin sopimatonta ainetta.

Loppuselvittelyä

Pieniä vetoja olisi valmis lyömään, ettei noista esitellyistä katalyyttikeksinnöistä mikään edistä liikennepolttoaineiden valmistusta seuraavien kymmenen vuoden aikana. Sanoisin, ettei koskaan, mutta vetovoiton kuittaamiseen saattaa liittyä silloin vielä isompia ongelmia?

Kyse on nähdäkseni paljolti siitä, että sinänänsä tieteellistä uutuusarvoa omaavaa tutkimusta pyritään esittämään hyvin merkittävästi sovellettavaksi kansantajuisella tavalla. Ilmasto-ongelmien ratkaisumenetelmän esittäminen se vasta merkittävää onkin. Toisekseen mm. biokemistit tuntuvat usein keskittyvän reaktiomekanismiin, kemiallisen potentiaalin tullessa ”taivaan lahjana” ja puhutaan vain elektronin siirrosta tai lähteestä. Niinpä noissa viitatuissa tutkimuksissa ei termodynamiikkaa juuri näy. Ja sehän se loppujen lopuksi määrää polttoaineen käyttökelpoisuudesta aika pitkälle. Eikähän perustutkijoiden voine olettaakaan olevan teknologisen soveltamisen eksperttejä?

Mitä ”Omana ehdotuksena” esittämääni magnesiumin käyttöön tulee, niin sitä ei ole vapaana maan pinnalla, joten magnesiumin valmistuksen vaatima energia ”unohtui” minulta. Ensin pitäisi keksiä/rakentaa edullinen energialähde, vaikkapa ydinvoimala, sitten sitä magnesiumia voisikin olla riittävästi ja riittävän edullisesti käytettävissä, periaatteessa siis. En väitä, että olisi silloinkaan polttoainesektorilla edukkain tapa toimia magnesiumin ja CO2:n avulla. Joka tapauksessa magnesium-menetelmää huonommin toimivat menetelmät eivät voine yleistyä.

Vastaan vielä halkojen valmistukseen tuhkasta. Sehän onnistuu, kun vie tuhkat koivikkoon. Savupiipusta karanneet hiilidioksiditkin siinä samalla sitotuvat uusiin halkoihin. Ja tämä sama periaate todennäköisesti on se edullisin tapa valmistaa nestemäisiäkin polttoaineita hiilidioksidista. Siis käyttää jo keksittyä ja laajalle levinnyttä biologista yhteyttämisteknologiaa mm. levien muodossa. Joissain tilanteissa voinee olla mahdollista kohdistaa voimalan hiilidioksidipäästöt suoraan ”polttoainetehtaalle”.

Termodynaamisesti tarkasteltuna vesi ja hiilidioksidi ovat ne epäedullisimmat lähtöainekset, kun halutaan valmistaa vetyä tai orgaanisia hiiliyhdisteitä maanpinnalla. Tämä siksi, että happivaltaisissa olosuhteissamme vesi on vedyn energeettisesti alin olotila tai ainakin hyvin lähellä sitä. Sama pätee hiileen ja hiilidioksidiin. Tämä ei kuitenkaan ole universaali totuus, joka pätisi vaikkapa Jupiterilla. Jopa maaperän lähes hapettomissa olosuhteissa hiilidioksidin asema pahnan pohjimmaisena horjuu ja metaani saa olla vihoviimeisenä jätteenä. Vedyn ja veden suhteen vastaavaa poikkeusta ei eliöiden sietämissä olosuhteissa taida tullakaan vastaan.

Jotkut hankkeet etenevät kuin jäitä polttaisi. Näitä tuli nyt esiteltyä.