„Původně jsme chtěli vyzkoušet, jestli se grafit rozdrcený v kuličkovém mlýně hodí pro výrobu nebo skladování vodíku, jak se o tom píše v literatuře ,“ říká Angela Luekingové. „Udělali jsme jen malé vylepšení. Grafit jsme nahradili mletým antracitem, který je levnější a snáze dostupný. Přitom jsme ale neočekávaně zakopli o postup, který výrobu a ukládání vodíku do uhlíkatých materiálů kombinuje s produkcí nanodiamantů. Ty přitom vznikají jako jakýsi vedlejší produkt.“
Bezpečná past na vodík
Levná výroba a bezpečné skladování vodíku se pro současné vědce stává bezmála stejně významným cílem, jakým bylo pro renesanční alchymisty nalezení kamene mudrců. Vodík totiž může být řešením většiny energetických problémů současného světa: mohl by nahradit ropu, až vyschnou její zásoby, lze v něj přeměňovat výkon solárních i jiných elektráren v obdobích, kdy pro něj není jiné využití.
A navíc jeho spalování zanechává podstatně méně škodlivých emisí, protože jeho hlavním produktem je voda. Vodík má ovšem i záporné stránky. Jednak jsou současné metody jeho výroby drahé, především ale zatím není známá metoda bezpečného a zároveň levného skladování.
„Kdybyste chtěli s autem na vodík ujet 600 kilometrů, objem spotřebovaného plynu by za atmosférického tlaku zabral devětkrát více místa než celý vůz. Tak velká by musela být nádrž,“ objasňuje dánský profesor Claus Hviid, který se zabývá stejným problémem.
Ve směsi se vzduchem je navíc vodík extrémně třaskavý, takže ani tlakové nebo chlazené nádrže nejsou ideálním řešením. Navíc jsou těžké a drahé. Badatelé se proto snaží vodík vázat v pevných látkách. Cílem je hmota, která by třaskavý plyn uvolňovala jen za přesně stanovených podmínek a jinak byste ji mohli nosit třeba v kapse u saka, aniž byste měli důvod k obavám. Takových materiálů už je známo poměrně hodně, všechny jsou ale drahé, nebo mají jiné nectnosti.
Dalším problémem je laciná výroba vodíku. Kdyby to šlo dostatečně levně z uhlí, zabily by se hned dvě mouchy jednou ranou. Uhlí je totiž jediné fosilní palivo, které nám zbude, až dojde ropa a zemní plyn - jenže nádrže aut jím plnit nejde...
Pokus s překvapením
Tým vědců z Pennsylvania State University vedený profesorkou Angelou Luekingovou se původně snažil prozkoumat vlastnosti běžně dostupných látek bohatých na uhlík (antracit je velmi kvalitní druh uhlí) využitelné při výrobě a skladování vodíku. Tyto látky totiž mají schopnost vytvářet pórovité struktury s mimořádně velkým vnitřním povrchem, takže by mohly vodík nejen jímat, ale za určitých podmínek i napomoci při jeho uvolňování z některých sloučenin, zejména uhlovodíků.
Jeden z pokusů probíhajících na Energetickém institutu Pennsylvania State University spočíval v mletí jemného antracitu v kuličkovém mlýnu za přítomnosti cyklohexanu jako zdroje vodíku. Kuličkový mlýn je zařízení, v němž kromě běžných drtících loukotí jsou ještě drobné ocelové kuličky. Ty výrazně zvyšují účinnost procesu mletí: při jejich nárazech na částice drceného uhlí se uvolňuje velká energie, což společně s působením cyklohexanu vede ke strukturálním změnám uhlíku obsaženého v uhlí.
„Kuličkový mlýn vlastně ukládá do uhelné kaše velké množství energie,“ objasňuje profesorka Luekingová. „Každý náraz ocelové kuličky vyvolá v místě dopadu velkou teplotu a tlak. A my jsme zvědaví, co z toho vznikne.“
Pokusy přinesly velké překvapení. Při mletí grafitu i antracitu docházelo k pohlcování vodíku v pórech nově vzniklé struktury - ale pouze u antracitu se plyn později za pokojové teploty z kaše dlouhodobě opět uvolňoval. Výron trval skoro rok a ještě se zvyšoval při mírném zahřátí.
Musíme zjistit
Vědci se zpočátku domnívali, že jde pouze o poruchu hmotového spektrometru používaného pro analýzu vzorků. Vyměnili jej proto za jiný přístroj, i ten ale stále hlásil přítomnost vodíku. Rozhodli se tedy materiál prozkoumat pomocí elektronového mikroskopu - očekávali, že za podivným chováním by mohly být uhlíkové nanotrubice. K jejich překvapení se však na snímcích objevily nanodiamanty obklopené vrstvami uhlíku, podobně jako slupky obalují cibuli.
„Nanodiamanty jsou velmi zajímavý materiál s perspektivou využití v celé řadě oborů. Například v elektronice nebo při jemném broušení tvrdých povrchů. Všechny možnosti jejich využití zatím ještě ani neznáme, mimo jiné i kvůli jejich poměrně vysoké ceně,“ říká profesorka Luekingová. Nanodiamanty se zatím vyrábějí většinou za pomoci explozí TNT v prostředí obsahujícím uhlík. Mletí uhlí v kuličkovém mlýně by bylo nejen jemnější, ale především podstatně lacinější.
K průmyslovému využití nového postupu však zatím chybí jedna podstatná věc: badatelé musí objasnit mechanismus vzniku diamantů. Stále ještě nezjistili, ve které fázi procesu nanodiamanty vlastně vznikají. „Krystalizace uhlíku může proběhnout díky přítomnosti vodíku, nebo je důsledkem vysokých tlaků a teplot v kuličkovém mlýně,“ konstatuje Angela Luekingová. Nelze vyloučit, že krystalizace nastala až při zpracování vzorků pro elektronový mikroskop. Zrovna tak se ale na vzniku diamantů mohou nějakým způsobem podílet všechny kroky procesu.
Vědce proto čeká ještě hodně pokusů s různými vzorky uhlí pocházejícími z rozličných dolů. Budou obměňovat sloučeniny obsahující vodík a především důkladně prozkoumají dynamiku a účinky nárazů kuliček na uhlí v mlýně.
