Z litra niepozornego proszku można uzyskać dwa razy więcej wodoru niż zawiera litr wodoru skroplonego. Być może wodór - który w przyszłości ma szanse zastąpić tradycyjne paliwa - mógłby być magazynowany w borowodorkach metali lekkich - mają nadzieję naukowcy z polsko-szwajcarskiego zespołu.

Prof. Zbigniew Łodziana z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie wyjaśnia w rozmowie z PAP, że zamiast tradycyjnych źródeł energii - takich jak paliwa kopalne czy paliwo jądrowe, których zasoby wciąż się kurczą - w przyszłości zapewne coraz częściej korzystać będziemy z tzw. strumieni energii, dostępnych tylko raz na jakiś czas. Bo np. energię słoneczną pozyskiwać możemy tylko w dzień, a wiatrową - w wietrzne dni. Tak pozyskaną energię trzeba będzie umieć magazynować, by móc ją wykorzystać we właściwym czasie. Naukowcy poszukują więc coraz skuteczniejszych metod przechowywania energii.

Pojemnik z LiBH4 - borowodorkiem litu. W pojemniku jest 100g LiBH4. Można z niego w praktyce uzyskać ok. 15 g wodoru, czyli ok. 150 litrów gazu. Foto: dr Arndt Remhof (EMPA, Szwajcaria)

Zespół prof. Łodziany z IFJ PAN wspólnie z naukowcami ze szwajcarskiego instytutu Empa pracuje nad skuteczniejszymi metodami magazynowania wodoru, a także nad nową generacją akumulatorów. Okazuje się, że w obu tych zadaniach przydatne mogą się okazać borowodorki metali lekkich, np. litu, magnezu, glinu czy itru.

Wodór jest bardzo atrakcyjnym materiałem, z którego można uzyskiwać energię. To bardzo lekki gaz, który spalając się wydziela jedynie ciepło oraz wodę. Dodatkowo - jak informuje prof. Łodziana - wodór posiada największą gęstość energii na jednostkę masy (lepsze okazują się tu tylko materiały nuklearne) - z 1 kg wodoru można uzyskać ok. 33 kWh. Poza tym otrzymywanie wodoru nie jest skomplikowane (choć na razie jest zbyt drogie i nieefektywne energetycznie ) - dwa atomy tego pierwiastka znajdują się przecież w każdej cząsteczce zwykłej wody. Można go z niej uwolnić poprzez elektrolizę - przyłożenie napięcia - np. z ogniwa słonecznego.

Problemem jest to, jak przechowywać wodór tak, by zajmował jak najmniej miejsca. Bo w normalnych warunkach w pojemniku o objętości jednego litra zmieści się zaledwie 0,1 g tego gazu. Aby skuteczniej upakować wodór, można go sprężyć, czy nawet skroplić (w temperaturze poniżej -250 st. C). Jednak i ten sposób nie jest optymalny - okazuje się, że wodór efektywniej można magazynować, kiedy wchodzi w skład związków chemicznych. Wtedy jego atomy mogą wypełnić przestrzeń znacznie efektywniej.

Takimi związkami są borowodorki metali lekkich. Mają one postać kryształków - białego proszku. Kiedy jednak podgrzeje się je do temperatury 300-400 st., uwalniany jest z nich wodór. Okazuje się, że z 1 litra proszku można uwolnić dwa razy więcej wodoru niż z 1 litra skroplonego wodoru. Proszek ten jest też o wiele bezpieczniejszy w stosowaniu niż sprężony gaz. Reakcja chemiczna, do której dochodzi w badanym materiale, jest odwracalna - w jej wyniku powstaje substancja (również ma ona postać proszku), którą w odpowiednich warunkach (wysoka temperatura i bardzo wysokie ciśnienie wodoru) można znów nasycić wodorem. Zdaniem badacza z IFJ PAN byłby to materiał wielorazowego użytku. Jeśli borowodorki stosowane by były w pojazdach, zamiast butli na wodór, zużyty materiał można byłoby oddawać do odpowiednich zakładów, gdzie byłyby odnawiany.

Wodór stanowi 20 proc. masy proszku, ale nie cały udaje się odzyskać. Z 10 g proszku można uzyskać do 1,5 g wodoru. "To wystarczająco dużo, by prowadzić badania nad tymi materiałami" - zaznacza prof. Łodziana. Wyjaśnia, że borowodorki metali lekkich badane są od wielu lat. Naukowcy z IFJ PAN - za pomocą symulacji komputerowych i badań teoretycznych - szukają sposobów, by uwalniać wodór z borowodorków w znacznie niższych temperaturach, a także jak sprawić, by ponowne "wpompowanie" wodoru do związku było prostsze (nie wymagało tak dużego ciśnienia). "Próbujemy zrozumieć, jakie własności wiązań chemicznych są odpowiedzialne za stabilność związku" - mówi badacz. Naukowcy ze Szwajcarii w ramach projektu prowadzą badania eksperymentalne i syntetyzują związki. Prof. Łodziana spodziewa się, że poszukiwany efekt można uzyskać, wypracowując właściwą mieszankę różnych borowodorków.

Borowodorki metali lekkich mogą też znaleźć inne zastosowanie niż magazynowanie wodoru. Być może będą użyte do konstrukcji akumulatorów nowej generacji, w których nie byłyby konieczne ciekłe elektrolity. "Każdy akumulator w samochodzie czy telefonie składa się z dwóch elektrod i materiału pomiędzy nimi, który przewodzi prąd elektryczny w postaci jonów, ale nie przewodzi prądu elektrycznego w postaci elektronów" - opowiada prof. Łodziana i dodaje, że na razie stosuje się tam ciekłe elektrolity. W akumulatorach samochodowych elektrolitem jest kwas siarkowy, a w bateriach litowo-jonowych - roztwory przewodzące jony litu. Naukowcy chcieliby jednak opracować bezpieczniejsze akumulatory - nie zawierające cieczy. One w razie wypadku nie doprowadzałyby do zwarcia pomiędzy elektrodami akumulatora i nie groziłyby wybuchem. Zespół prof. Łodziany bada, czy właściwości borowodorków lekkich metali można na tyle poprawić, by można je było stosować w bateriach.

Badania realizowane są w ramach Polsko-Szwajcarskiego Programu Badawczego.

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala