František Cudziš: Elektrotermický rozklad tekutej vody na plynný vodík a kyslík a jeho ekologicko-ekonomický význam
Ako už bolo naznačené v pilotnom článku, medzi elektrotermickým rozkladom vody a klasickou elektrolýzou je ten zásadný rozdiel, že primárnym zdrojom energie jednosmerného elektrického prúdu, ktorý rozkladá tekutú vodu na jej plynné zložky, nie je zdroj chemickej energie (napr. galvanický článok) ani usmernená elektrická energia z rozvodnej siete, ale obyčajné nízkopotenciálové teplo s teplotou rádove 100°C.
Z histórie objavu a spôsobov využitia galvanického prúdu sú síce známe aj galvanické články (dnes už nepoužívané), ktoré sa počas svojej činnosti ochladzovali, tzn. že teplo prijaté z okolia sa v nich nejakým spôsobom priamo menilo na elektrickú energiu. Menovite možno uviesť napríklad zinkovo-platinový galvanický článok W.R. Grovea. Tam bol však podiel galvanického prúdu, pôvodom z nízkopotenciálového tepla, len nepatrným zlomkom elektrickej energie majúcej pôvod v chemických procesoch. A pretože konštruktéri galvanických článkov sa zamerali predovšetkým na konštrukcie článkov s maximálnym možným napätím a výkonom, nemohli pritom postrehnúť (elektrotermický) termolýzny jav, aj keď mali k nemu relatívne veľmi blízko.
Zmienený pán Grove dokonca dokázal realizovať reverzný proces k elektrolýze vody, a síce syntézu vody z plynného vodíka a kyslíka za vzniku vodnej pary a galvanického prúdu. Inými slovami vynašiel funkčný princíp „plynového“ článku, ktorý dnes poznáme pod atraktívnejším názvom „palivový článok“ – ideál to súčasných technických predstáv tzv. „vodíkovej ekonomiky“. Bolo to však už pred asi 160 rokmi a za celú tú dobu palivové články nenašli masové upotrebenie z jednoduchého dôvodu – (predovšetkým) z nedostatku lacného vodíka. Keby bola klasická elektrolýza vody menej nákladná, určite by to bolo už dávno inak.
Vodík je veľmi významná chemická surovina. Jeho celosvetová produkcia v r. 2000 predstavovala 400 miliónov ton. Z tohto množstva len 4% pochádzali z elektrolýzy vody, zbytok bol získaný reformingom zemného plynu. Preto je pochopiteľné, že na energetické účely sa ho nedostáva. Vodík nie je primárnym zdrojom energie, je len tzv. energonosičom.
V týchto súvislostiach je rozdiel medzi vodíkom a fosílnymi palivami len ten, že fosílne palivá sme mali relatívne dlhú dobu takmer zadarmo, pretože o ich vznik sa nám spontánne postarala príroda počas geologických dôb, kým prírodný vodík, podobne spontánne, vytvoril veľmi stabilnú zlúčeninu – vodu – v spojení s kyslíkom. Analogicky, uhlík vytvára s kyslíkom, tiež veľmi stabilný, oxid uhličitý. Stabilita vody i oxidu uhličitého je spôsobená exotermickým zlučovaním vodíka a uhlíka s kyslíkom.
Problém globálneho otepľovania, ak ho naozaj spôsobuje zvyšujúca sa koncentrácia oxidu uhličitého v atmosfére, by sme mohli – a aj vedeli – riešiť zabudovávaním uhlíka z oxidu uhličitého do mnohých potrebných organických zlúčenín podobne, ako sa moderná chémia vysporiadala s potrebou „neutralizácie“ smrteľne jedovatého a nepotrebného chlóru do chlórovaných organických zlúčenín, napr. do polyvinylchloridu (PVC). Treba nato len maličkosť – energiu. Ale kde ju vziať, a nekradnúť, v dobe nadchádzajúcej globálnej energetickej nedostatočnosti?! Všetky odborné analýzy súčasného stavu naznačujú, že možnosti riešenia týchto problémov sú obmedzené; v prvom rade sú limitované objektívnymi prírodnými zákonitosťami, problematické sú aj z (relatívnych) ekonomických hľadísk.
Ale problém globálneho otepľovania a hroziacej energetickej krízy nie sú jediné problémy súčasnosti. Ak k nim prirátame aj hrozbu skorého vyčerpania lacných zdrojov rôznych nerastných surovín, vrátane pitnej vody, a hrozbu potravinovej nedostatočnosti, začína sa čoraz zreteľnejšie črtať superproblém, ktorý môže synergicky prerásť až do nezvládnuteľných rozmerov, a to v časovom horizonte 30-40 rokov.
V tejto situácii je evidentné, že bez nových prístupov k riešeniu (v podstate starých) problémov túto dilemu sotva zvládneme. Mám na mysli seriózne vedecké prístupy k riešeniu. Je paradoxné, že aj pri dostatočnej úrovni prírodovedného poznania si, v historickom procese poznávania, veda (dialekticky zákonite) sama vytvorila prekážky, ktoré do značnej miery znehodnocujú jej „akčný“ potenciál za daným účelom. Ide o to – je to môj osobný názor, a som presvedčený, že správny – že naslovovzatí odborníci, o čom svedčia aj všemožné tituly pred ich menom i za ním, akosi pozabudli na skutočnosť, že experimentálne zistené i teoreticky odvodené poznatky sa neraz, z praktických dôvodov, systematizujú do viac-menej ucelených systémov, ktoré však neodrážajú objektívnu realitu spôsobom, ako si to mnohí predstavujú. Sú to veľmi užitočné modely, ale nič viac. S objektívnou realitou môžu mať spoločné len veľmi málo (a napriek tomu je užitočné ich poznať).
Inými slovami: Vyhovujúce riešenia nadnesených problémov objektívne existujú, ale pre odborníkov, s oným „modelovým“ náhľadom na vedu, sú nepostrehnuteľné.
Kto toto nemá na zreteli, zbytočné je mu bazírovať na tituloch. Dochádza na jasnozrivé slová „klasika“ Michela Montaigne:
„So všetkou zodpovednosťou môžem potvrdiť, že existujú dva typy hlúposti. Jedna je negramotná, tá vede predchádza. Druhá je nadutá a povýšenecká, tá prichádza za ňou. Druhý typ hlúposti sama veda plodí a rozvíja, kým ten prvý odstraňuje a zabíja.“
Ak chce čitateľ správne pochopiť, ako sú tieto (dávno vyrieknuté) slová myslené, nech sa po prečítaní tohto článku láskavo vráti na diskusiu k pilotnému článku, na ktorý sa odvolávam v úvode. Prvý súd o jeho obsahu: „Nic než další magořina.“ A mohol by som veľa rozprávať o nadutých a povýšeneckých (ak to rovno neznamená hlúpych) reakciách na moje myšlienky kde-kade inde a už povážlivo dlho.
Einstein údajne vyhlásil dva dni pred svojou smrťou, že dokáže zomrieť sám, aj bez lekárskej pomoci. Ja mám dnes dojem, že ľudstvo, slepo dôverujúce takto postihnutej modernej vede a „pragmatizmu (=cynizmu svojho politicko-ekonomického vedenia)“, neúprosne zanikne napriek všemožným pokusom mu pomôcť.
Jeden z nich predstavuje elektrotermický rozklad (termolýza) vody, ktorý tu po prvý raz predkladám ctenej odbornej i laickej verejnosti na preštudovanie. Aby som zbytočne neprepínal trpezlivosť čitateľa, neodkladne predostieram (pre laikov v dosť „suchopárnej“ podobe, ale momentálne sa inak nedá) podstatu tohto javu a až v závere článku si dovolím ešte pokračovať v slede vyššie uvedených myšlienok.
Definícia termolýzy
Termolýza je elektro-termochemický proces, prebiehajúci v špecificky zostavenej fyzikálno-chemickej sústave – termolytickom článku, vyznačujúcej sa existujúcimi elektrochemickými napätiami medzi jej jednotlivými časťami a súčasným nedostatkom vnútornej energie, ktorý by umožnil konanie práce týmito silami. Je to proces, prebiehajúci na základe energetického dopingu vo forme nízkopotenciálového tepla (privedenia nízkopotenciálového tepla z vonkajšieho zdroja do sústavy, nachádzajúcej sa v silovo prakticky rovnovážnom stave), podmienený prítomnosťou termolytickej zlúčeniny s obsahom iónov najelektronegatívnejšieho prvku v sústave a vedúci k programovanej (cielenej) fyzikálno-chemickej zmene v termolyte.
Definícia termolytického článku
Termolytický článok je špecifická modifikácia galvanického článku. Je skonštruovaný s cielenou nemožnosťou vytvárať elektrický prúd na úkor svojej chemickej energie, ale s principiálnou schopnosťou pomocou tepelnej energie privedenej zvonka spôsobiť elektrolýzu svojho vlastného elektrolytu (termolytu).
Funkčný princíp a konštrukcia termolytického článku
Príkladom termolytického článku, vhodného na termolytický rozklad vody obsiahnutej v jeho termolyte, je napríklad článok s hliníkovou katódou a uhlíkovou alebo medenou anódou, ktoré sú ponorené do vodného roztoku síranu hlinitého. Ale funguje aj termolytický článok so železnou katódou a uhlíkovou anódou, so zmesou vodných roztokov síranu a chloridu železnatého vo funkcii termolytu (pritom je zaujímavé, že sa z termolytu nevylučuje chlór, ale opäť kyslík). A určite aj mnoho iných termolytických článkov.
Síran hlinitý, známy laikom v tzv. bazénovej chémii ako vločkovač, znemožňuje - z dôvodu silnej elektronegativity hliníka - rozpúšťanie medenej alebo uhlíkovej anódy k sebe do termolytu. Okrem toho jeho nezvyčajne veľký elektrický odpor, spôsobený výnimočnými vlastnosťami hliníka, v tomto prípade predovšetkým hydrolýzou hliníkových katiónov na komplexy [Al.6H2O]3+, by v galvanickom článku spôsobil jeho neúnosne veľký vnútorný odpor a ako zdroj elektrickej energie by ho celkom znefunkčnil. Termolytickému článku to však nevadí. Prečo je to tak?
Týmto usporiadaním termolytického článku je zámerne vytvorená situácia, keď síce vznikne medzi elektródami navzájom - a tiež medzi elektródami a termolytom -elektrochemické napätie, ale článok nemôže pracovať ako klasický galvanický článok, pretože je chemicky zamedzené rozpúšťanie anódy, čo väčšinou predstavuje skutočný chemický zdroj energie galvanického článku. Napríklad síran hlinitý, obsiahnutý v termolyte, nedovolí chemické ani elektrochemické rozpúšťanie žiadného kovu do termolytu, s výnimkou horčíka alebo alkalických kovov, ktorých použitie však z technického hľadiska nepripadá do úvahy. Síran horečnatý (v prípade článku s katódou z horčíkovej zliatiny) analogicky zamedzí reakcie s termolytom aj hliníku.
Funkčný princíp termolytického článku si vyžaduje namiesto chemickej energie, uvoľňujúcej sa v sústave z titulu anódového rozpúšťania, tepelnú energiu z vonkajšieho zdroja. Už nízkopotenciálová tepelná energia z cudzieho zdroja je schopná v termolytickom článku spôsobiť podstatné fyzikálno-chemické deje v termolyte. Je to experimentálne preukázané a potvrdené potrebnými meraniami.
V dôsledku prívodu tepla tečie termolytickým článkom pre termolytický rozklad vody, so svorkovým napätím naprázdno cca 1V (v najlepšom prípade som nameral 1,04V), elektrický prúd a na elektródach sa vylučujú príslušné plyny. Vylučujú sa už pri izbovej teplote, ale len s nepatrnou intenzitou.
Na hliníkovej katóde sa vylučuje vodík a na uhlíkovej, resp. medenej anóde sa vylučuje kyslík. Možno ich zachytávať osobitne. Zdrojom obidvoch plynov je voda z vodného roztoku síranu hlinitého. Samotný síran hlinitý nepodlieha žiadnym zmenám.
Ohrievaním termolytu z izbovej teploty, intenzita termolýzy vody narastá najprv veľmi pozvoľna. Pri teplote asi 45°C znateľne zmohutnie a ďalej narastá až po bod varu termolytu, ktorý je pri normálnom tlaku vyšší ako bod varu vody. Nad teplotou 80°C sa rast intenzity reakcie v závislosti od teploty zmierni a v blízkom okolí teploty 100°C som opakovane zaregistroval „poruchy“ študovaného javu, pre ktoré predbežne nemám vysvetlenie. Potrebný príkon tepla sa (teoreticky) rovná 571,6 kJ na mol (18g) rozloženej vody.
Nevyhnutné podmienky pre vznik termolytického javu
Pre vznik termolytického javu je nevyhnutné vytvoriť prostredie charakterizované tromi základnými podmienkami:
1) V termolytickom článku musia existovať dostatočne veľké rozdiely elektrochemického potenciálu, v závislosti od deja, ktorý chceme termolytickým javom vyvolať. Ak chceme spôsobiť rozklad vody, je na to potrebný rozdiel elektrochemických potenciálov prinajmenšom sa rovnajúci rozkladnému napätiu pri elektrolýze vody (cca 1,0 V).
2) V termolytickom článku musí vzniknúť vodivý obvod pre termolýzny elektrický prúd, spôsobený premenou elektricky nabitých iónov v termolyte na elektricky neutrálne chemické zložky.
3) Termolytický článok musí byť počas svojej prevádzky ohrievaný teplom z vonkajšieho zdroja, inak by mu chýbal zdroj energie pre konanie práce silami, ktoré v ňom existujú z titulu rozdielnych elektrochemických potenciálov.
Preskúmajme z tohto pohľadu spomenutý príklad termolytického článku. –
Po prvé. Elektrochemický potenciál hliníkovej katódy je -1,28V, uhlíkovej anódy +0,90V, resp. medenej anódy +0,34V. Rozdiel potenciálov medzi hliníkom a uhlíkom je 2,18V a medzi hliníkom a meďou je 1,62V, čo dostatočne prevyšuje minimálne rozkladné napätie pre vodu.
Po druhé. Termolytické články sú len špeciálnymi prípadmi galvanických článkov. Vodivý obvod pre elektrický prúd v termolytickom článku je principiálne rovnaký s vodivým obvodom v galvanickom článku. Avšak kým galvanický článok predstavuje sám osebe zdroj energie, termolytický článok predstavuje zariadenie („stroj“) v úlohe spotrebiča energie z cudzieho zdroja, pomocou ktorej koná konkrétnu prácu. Preto termolytický jav, za prítomnosti tepla, nastane až v okamihu uzatvorenia elektrického obvodu, napríklad prostredníctvom spínača na vonkajšom vedení medzi elektródami, ak také vedenie existuje (prípad tzv. riadenej termolýzy).
Z konštrukčného hľadiska, aj z iných dôvodov, je jednoduchšie a efektívnejšie katódu a anódu spojiť do jedného celku, vytvoriť tak tzv. kontaktnú elektródu a túto celkom zanoriť do termolytu pod jeho hladinu. Elektrický obvod tak vznikne a bude pretrvávať spontánne (prípad tzv. neriadenej termolýzy). Práve takto, vďaka experimentovaniu s kontaktnou elektródou – síce za celkom iným účelom - bol termolytický jav, dalo by sa povedať, náhodne objavený.
Po tretie. Zdroj energie galvanického článku spočíva v uvoľňovaní energie, vznikajúcej pri rozpúšťaní anódy do elektrolytu alebo v dôsledku chemických zmien v elektrolyte alebo v dôsledku súčinnosti obidvoch procesov. V termolytickom článku sa však úmyselne používa elektrolyt (termolyt), ktorého chemická povaha znemožňuje rozpúšťanie anódy ako aj svoju vlastnú chemickú zmenu, preto termolytický článok v podstate nedisponuje žiadnou vlastnou energiou a je odkázaný na vonkajší zdroj energie vo forme tepla. Toto teplo vnáša do termolytu energiu, nevyhnutne potrebnú na prechod elektrónov z aniónov do anódy a na výstupnú prácu pri ich preskoku z katódy na katióny.
Časť vody obsiahnutej v termolyte disociuje na vodíkové katióny s elektrochemickým potenciálom 0V a na hydroxilové anióny s potenciálom +0,54V. Elektróny z hydroxilových aniónov môžu celkom ľahko prechádzať na medenú anódu (+0,34V), presunúť sa do hliníkovej katódy (-1,28V) a týmto presunom nadobudnutú energiu 1,62eV (resp. 1,82eV) spotrebovať na výstupnú prácu z katódy, preskok na vodíkové katióny a na vytvorenie molekúl plynného vodíka. V prípade uhlíkovej anódy musia elektróny z hydroxilových aniónov prekonávať potenciálovú bariéru medzi potenciálmi +0,54V a +0,90V, a pritom im zrejme pomáha teplo dodávané do článku zvonka. Je veľmi výhodné, že pre tento účel je vhodné aj nízkopotenciálové teplo s teplotou do cca 100°C.
Elektrický odpor termolytu sa zmenou jeho teploty mení tak, že so stúpajúcou teplotou termolytu odpor klesá a preto intenzita termolýzy rastie. V intervale teplôt 20°C - 100°C narastie intenzita riadenej termolýzy vody najmenej 17- až 20-krát (v závislosti od materiálu elektród; najlepší experimentálny výsledok, ktorý som dosiahol v neprofesionálnych podmienkach, bol 25-násobný nárast intenzity termolýzneho prúdu pri teplote blízko varu vody oproti izbovej teplote). Intenzita termolýzy všeobecne priamo závisí od prechodu jednosmerného elektrického (termolýzneho) prúdu termolytom. Pri vzdialenosti elektród rádove mm a, pri kombináciách hliníkovej katódy s medenou alebo uhlíkovou anódou, pri teplotách 95°C až 98°C dosahuje intenzita prúdu, v prípade tzv. riadenej termolýzy vody, najmenej 3,5 až 4 mA/(1+1)cm2 plochy elektród. Teda medzi katódou a anódou o ploche 1m2 môže tiecť cez termolyt v 2-3 mm štrbine medzi nimi prúd s intenzitou až 40A, ktorý by za deň vylúčil z termolytu 400 litrov vodíka a 200 litrov kyslíka. Pri použití tzv. kontaktnej elektródy pre tzv. neriadenú termolýzu – v tomto prípade termolýzu vody - môže byť intenzita prúdu ešte podstatne vyššia.
Podľa mojich experimentálnych meraní je intenzita neriadenej termolýzy 25 – 40-krát väčšia ako intenzita riadenej termolýzy. Úmerne tomu môžu byť väčšie aj vyprodukované množstvá vodíka a kyslíka. To by predstavovalo termolýzny prúd až 1600A/m2. (Predpokladám, že v profesionálne vyvinutom a zhotovenom termolyzéri sa môže táto hodnota ešte najmenej zdvojnásobiť. To by zodpovedalo maximálne používaným prúdovým hustotám pri galvanickom pokovovaní – cca 30A/dm2.) Pri súčasnom použití niekoľko tisíc dvojíc elektród pri riadenej termolýze (resp. kontaktných elektród pri neriadenej termolýze), v zodpovedajúcom zariadení (termolyzéri), by vznikali vodík a kyslík v množstvách stovák a tisícov m3 denne, a to všetko na báze – inak strateného a bezcenného –odpadového tepla.
Riadená termolýza (vody)
Pre riadenú termolýzu je charakteristické, že časť elektricky vodivého okruhu pre termolýzny prúd sa nachádza mimo termolytu. Termolytický článok sa konštrukčne podobá na klasický galvanický článok, má svoju katódu i anódu a úlohu elektrolytu zohráva termolyt. Pomocou voltmetra možno zmerať jeho svorkové napätie naprázdno.
Pre elektrické obvody termolytických článkov platia rovnaké zákonitosti ako pre galvanické články. Možno ich napr. paralelne i sériovo spájať.
Ak elektródy článku, pri izbovej teplote, klasickým spôsobom spojíme a ampérmetrom meriame termolýzny prúd, jeho intenzita veľmi rýchlo klesá k nule. Je to pochopiteľné. Intenzita termolýzneho javu pri izbovej teplote je nepatrná. Elektrické náboje, ktoré vznikli na elektródach po ich vnorení do termolytu, sa, v dôsledku uzatvorenia elektrického obvodu zvonku, „vybijú“ veľmi rýchlo. A žiaden iný zdroj energie termolytický článok sám osebe nemá.
Ak termolytický článok, s elektródami vodivo spojenými cez ampérmeter, začneme ohrievať zvonku, tzn. že začne narastať teplota termolytu, intenzita termolytického prúdu začne narastať vyššie popísaným spôsobom. Termolýzny prúd s napätím, závislým od svorkového napätia naprázdno a vnútorného elektrického odporu článku, je trvalý a predstavuje reálny zdroj elektrickej energie. Okrem toho sa z termolytu (pri termolýze vody) uvoľňuje plynný vodík a kyslík.
Termolytický článok pre riadenú termolýzu môže mať vonkajšiu časť elektrického okruhu rozvetvenú na základe paralelného zapojenia. Jedna vetva môže priamo spájať elektródy, kým v iných vetvách môžu byť zaradené rôzne rezistory (elektrické spotrebiče). Napriek tomu nedôjde ku skratovaniu elektród, pretože intenzitu termolýzneho prúdu limituje vnútorný odpor článku. Tento režim umožňuje popri termolýze, napr. popri termolýze vody – zaujímavej predovšetkým z hľadiska svojich produktov, aj priamu konverziu tepla na elektrickú energiu. Ak sa tak stane, množstvo produktov termolýzy – v závislosti od množstva dodaného tepla - je zodpovedajúco menšie o množstvo energie odobrané v elektrickej forme.
Inou podstatnou výhodou riadenej termolýzy je možnosť zastavenia termolýzy, aj napriek prítomnosti tepla, prerušením elektrického obvodu v oblasti jeho vonkajšej vetvy. Práve tento moment zdôvodňuje jej označenie pojmom „riadená“ termolýza.
Riadená termolýza sa však zrejme bude využívať len vo výnimočných prípadoch. Termolytický článok pre riadenú termolýzu (ak sa nenájde konštrukcia s termolytom, ktorý bude mať dostatočne nízky elektrický odpor) predstavuje zrejme podobnú kuriozitu ako svojho času Groveov „plynový“ (palivový) článok. Je to spôsobené tým, že vnútorný odpor termolytického článku, z dôvodu medzery medzi jeho elektródami, je značný. V prípade vodného roztoku síranu hlinitého, v úlohe termolytu, sa jedná dokonca o „absurdný“ elektrický odpor aj v prípade milimetrovej medzery. Tento moment drasticky znižuje intenzitu termolýzneho prúdu a tým aj intenzitu termolýzy. Okolnosť, že medzera medzi elektródami principiálne vytvára možnosť separovania vznikajúcich plynných zložiek, napr. osobitne vodíka a kyslíka pri termolýze vody, nemôže spomenutú nevýhodu v žiadnom prípade nahradiť.
Termolytický článok pre riadenú termolýzu sa však veľmi dobre hodí na niektoré kvantitatívne merania, čo má svoj nezanedbateľný význam pri preskúmavaní možností termolýzy aj pre iné látky, ako je voda, a pre iné elektrochemické reakcie, ako je elektrotermický rozklad vody.
Neriadená termolýza (vody)
Pre neriadenú termolýzu je charakteristická tzv. kontaktná elektróda a teda aj chýbajúca medzera medzi katódou a anódou, čo má za následok, že plynné zložky pri termolýze vody sa zákonite v termolyte zmiešavajú a separovať sa dajú až po ich rozvrstvení na základe rozdielnej mernej hustoty v záchytnom plynojeme.
Kontaktná elektróda vznikne zámerným spojením katódy a anódy do jedného celku, ktorý sa úplne zanorí pod hladinu termolytu. Prakticky to znamená, že termolytický článok pre neriadenú termolýzu – analogický s článkom pre riadenú termolýzu – ako taký neexistuje, lebo neexistuje žiadna časť elektrického obvodu mimo termolytu, pomocou ktorej by sa dala intenzita termolýzy riadiť. Tento pomyselný článok je z technického hľadiska nahradený zariadením – termolyzérom – v ktorom termolýzny proces možno zastaviť (s určitou časovou zotrvačnosťou odozvy) len zamedzením prístupu vonkajšieho tepla (v krajnom prípade urgentným prečerpaním termolytu do zásobníka alebo jeho vypustením do záchytnej nádrže). Termolyzér však bude mať aj nezanedbateľné výhody.
Z uvedeného vyplýva, že robiť podobné kvantitatívne merania ako pri riadenej termolýze, je vylúčené. Porovnať intenzitu riadenej a neriadenej termolýzy možno celkom jednoducho na základe merania objemu vzniknutého vodíka a kyslíka pri neriadenej termolýze (v obidvoch prípadoch pri danej teplote), z ktorého možno spätne vypočítať intenzitu termolýzneho prúdu, pôsobiaceho pri neriadenej termolýze, a porovnať ju s hodnotou, nameranou pri riadenej termolýze.
Kontaktná elektróda vhodnej konštrukcie predstavuje súbor obrovského množstva galvanických mikročlánkov, kde termolýzny prúd „pracuje“ v mikroobvodoch s minimálnym elektrickým odporom a s tomu zodpovedajúcimi hodnotami prúdu. Keby všetky tieto lokálne prúdy mali byť integrované do jednej výslednice a vyvedené mimo objem termolytu, predstavovalo by to dosť vážny technický problém, pretože by sa jednalo o (nízkonapäťový) jednosmerný prúd o intenzite rádove tisícov ampérov. To je dôvod, prečo môže byť neriadená termolýza mnohonásobne intenzívnejšia ako riadená termolýza.
Osobne som konal experimenty s kontaktnými elektródami hliník-meď, hliník-uhlík, železo-uhlík, ale aj s kontaknými elektródami, tvorenými rôznymi kombináciami materiálov, zaujímavých z hľadiska ich elektrochemického potenciálu. Napríklad kontaktnú elektródu, vytvorenú z hliníkovej lišty, na ktorú som nalisoval medený drôt, som skomplikoval pripojením uhlíkovej tyčinky v medenom opláštení (štandardná uhlíková elektróda pre staré filmové premietačky) na medený drôt tak, aby nedošlo ku kontaktu meď-meď. Podobne som situáciu v priebehu termolýzy komplikoval dotykom uvedenej tyčinky s hliníkovou časťou kontaktnej elektródy tak, aby nedošlo ku kontaktu hliník-meď, ale len ku kontaktu hliník-uhlík. V tom prípade kontaktnú elektródu predstavovalo zoskupenie materiálov v poradí meď-uhlík-hliník-meď. V každom prípade bol ako termolyt použitý vodný roztok síranu hlinitého a uvedené priebežné (počas termolýzy) zmeny „konštrukcie“ kontaktnej elektródy viditeľne ovplyvňovali intenzitu termolýzy vody.
Pre popísané experimenty boli charakteristické malé styčné plochy medzi kontaktnou elektródou a termolytom, ako aj malé vnútorné kontaktné plochy medzi jednotlivými časťami kontaktnej elektródy, no najmä relatívne veľké vzdialenosti medzi jej koncovými časťami. Aj toto má nezanedbateľný vplyv na intenzitu termolýzy.
Ideálna kontaktná elektróda má takú konštrukciu, ako som sa už zmienil, že predstavuje nespočetnú množinu galvanických mikročlánkov. Tieto mikročlánky však nie sú schopné správať sa skazonosne, ako je to napríklad v prípade hrdzavenia železa, lebo na to nemajú vytvorené podmienky. Svojou prítomnosťou proste spĺňajú jednu z nevyhnutných podmienok termolýzy – z titulu svojich rozdielnych elektrochemických potenciálov vytvárajú sily, schopné konať prácu na báze nízkopotenciálového tepla.
Vhodnou kontaktnou elektródou môže byť grafitová platňa s povlakom v podobe jemnej hliníkovej sieťky. Môže to byť tiež hliníková lišta, na ktorú sa mäkkou ceruzou nanesie hustá sieť rovnobežných čiar. Alebo to môže byť pomedený hliníkový plech s takou hrúbkou pomedenia, ktorá nebráni styku termolytu s jeho hliníkovou bázou (vrstva pomedenia musí byť vodopriepustná).
Vložil som viac-menej očistený hliníkový plech do vodného roztoku síranu meďnatého a odtiaľ som ho preložil do vodného roztoku síranu hlinitého, ktorý som zahrieval. Vznikla tak kontaktná elektróda hliník-meď s nestabilným medeným povlakom. Čiastočky kovovej medi, ktoré sa v priebeh termolýzy vody nedokázali udržať na hliníku, migrovali elektrolytom, usádzali sa na dne experimentálnej nádoby a víriace bublinky unikajúcich plynov ich opäť a opäť zapájali do „kontaktného“ procesu. Podobne grafitové čiary, nanesené obyčajnou tužkou na hliníkový plech, sú v priebehu termolýzy veľmi rýchlo prekryté svetlou vrstvičkou hliníka, termolýza však prebieha ďalej. To znamená, že vrstvička hliníka je vodopriepustná. V priebehu termolýzy zrejme dochádza na styčných plochách kontaktnej elektródy s termolytom k rôznym fyzikálno-chemickým procesom, o ktorých dnes ešte nikto nemá ucelenú predstavu, a ktorá sa zrejme experimentovaním na popisovanej úrovni, v amatérskych podmienkach, ani nedá získať.
Potenciálne možnosti termolýzy vody
Správnu predstavu o možnom technickom význame termolýzy vody si možno urobiť na základe nasledujúcich (orientačných) úvah.
Teoretické rozkladné napätie pri klasickej elektrolýze vody je cca 1V. V skutočnosti, kvôli polarizácii elektród a iným problémom, sa elektrolýza prevádzkuje s napätím 1,6 – 2V (za účelom orientačného výpočtu uvažujme hodnotu 2V). Galvanický prúd s intenzitou 1A (t.j. s výkonom 2W) takto vylúči za jeden deň cca 10 litrov vodíka a 5 litrov kyslíka.
Predpokladajme, že pri neriadenej termolýze možno dosiahnuť prúdovú hustotu 30A/dm2 , t.j. 3000A/m2 . Potom štvorcový pomedený hliníkový plech o hrane 1m predstavuje kontaktnú elektródu s plochou 2m2, na ktorú pôsobí termolýzny prúd 6000A, a to s výkonom 12kW (pri uvažovanom napätí 2V, ktoré sú prakticky nutné na elektrolytický rozklad vody). Aby táto kontaktná elektróda mohla pracovať želaným spôsobom, nutne potrebuje príkon 12kW vo forme nízkopotenciálového (odpadového) tepla. Tisíc kusov takýchto elektród, so vzájomným odstupom 2cm, zaplní objem 20 m3 a dokáže „spotrebovať“ príkon 12MW odpadového tepla.
Zúžitkovanie odpadového tepla s výkonom 3000 MW, ktoré produkuje napr. jadrový reaktor 1000 Mwe (reaktor s inštalovaným elektrickým výkonom 1000 MW), by si vyžiadalo vybudovať termolyzér s pracovným objemom minimálne 5000 m3 , čo predstavuje kváder vysoký i široký po 10 m a dlhý 50 m. Bola by to síce rozmerná stavba, ale zrejme nie väčšia ako jedna terajšia chladiaca veža štandardných rozmerov. Denne by bola teoreticky schopná vyprodukovať 15 000 000 m3 vodíka a polovičné množstvo kyslíka! V skutočnosti tieto čísla, z titulu rôznych prevádzkových strát, treba redukovať minimálne o jednu tretinu, ale aj tak sa jedná o impozantné množstvá vodíka a kyslíka – pre najrozmanitejšie použitie.
Možno však uvažovať aj ináč.
Aby sme sa vyhli obludnej rozmernosti termolyzéra, podmienenej objektívnym energetickým výkonom jadrového reaktora, pri stavbe nových reaktorov – s rovnakým inštalovaným elektrickým výkonom – podľa tej istej technológie stačí všetky závislé parametre zredukovať, akoby sa jednalo o stavbu reaktora s tretinovým inštalovaným elektrickým výkonom. Potom aj množstvo odpadového tepla pre termolýzu vody by sa znížilo na tretinu, ale inštalovaný elektrický výkon reaktora by zostal zachovaný – 1000 MWe; pri 75 %-nej účinnosti konverzie tepla na elektrickú energiu.
Na záver
Všetky faktografické údaje v tomto článku majú len orientačnú hodnotu, pretože som ich získal v amatérskych podmienkach, ktoré s regulárnymi laboratórnymi podmienkami majú máločo spoločné. Zásadné tvrdenia sú však správne.
Aby si čitateľ mohol urobiť názornejšiu predstavu o úrovni, na akej som pracoval, pripájam na ilustráciu fotografiu zhotovenú pri experimente s neriadenou termolýzou.
Na zábere vidno v popredí menšiu sklenú uzavretú nádobu na drôtenej sieťke (pod ňou je horák kuchynského plynového sporáka), z ktorej sú plyny vedené do 4L sklenej fľaše od uhoriek pomocou PVC hadičky. Vznikajúce plyny zosvetľujú hornú polovicu roztoku v uzavretej fľaši. Vznikajú na ploche predmetu (na kontaktnej elektróde), ktorý je uzavretý v jej vnútri. Plyny sa zachytávajú vo zvone, ponorenom do vody, ktorý predstavuje 1L plastová fľaša s odrezaným dnom a zatiahnutým vrchnákom. Na zábere vidno hladinu vody v 4L sklenej fľaši i hladinu vody v plastikovom zvone, ktorú tak nízko zatlačil tlak zachytených plynov. Osvetlenie je zozadu, optické podmienky neumožnili zachytiť na zábere jednotlivé bubliny, ako postupne plnia zvon. Žiaľ, „laboratórnejšie“ podmienky pre prácu predbežne nemám, hoci si viem predstaviť, ako by to malo vyzerať na profesionálnej úrovni.
Elektrotermický jav má však popri konkrétnom technickom význame aj rovnako významné sekundárne dôsledky v teoretickej oblasti. Ak prostredníctvom elektrotermického javu možno dosiahnuť účinnosť konverzie tepla na elektrickú energiu, resp. iné „ušľachtilejšie“ formy energie, podstatne vyššiu ako je klasicky definovaná termodynamická účinnosť, prakticky to len potvrdzuje moje skoršie slová o tom, že odborníci si v špecifických prípadoch neuvedomujú skutočný význam poznatkov, s ktorými pracujú.
Toto je pravý dôvod, prečo vytrvalo – s výsmechom - odmietajú inú moju myšlienku, projekt pacyklového stroja.
Pritom pacyklový stroj je akousi obdobou termolytického článku. Je tu analogická situácia: Pacyklový stroj je mechanické zariadenie, ktoré chcem prinútiť pracovať s minimom energie, tzv. iniciačnej energie. Požadujem od neho väčší výkon, ako je príkon iniciačnej práce. Že je to nemožné? – Z energetického hľadiska je to možné tak, že pracovné médium v pacyklovom stroji (vzduch) dočasne pracuje na úkor svojej vlastnej vnútornej energie. V dôsledku toho sa zníži vnútri stroja teplota, vznikne tzv. „tepelná jama“, do ktorej (na základe vzniknutého tepelného gradientu) začne prúdiť teplo z okolia prestupom cez plášť stroja.
Teoretici a technickí inžinieri však poznajú len situáciu, keď tepelné motory doslova „prekrmujú“ energiou a nechávajú ich pracovať spôsobom, ktorý nevyhnutne produkuje obrovské energetické straty. Teoretické zdôvodnenie hodnoty termodynamickej účinnosti v podstate len narkotizuje ich svedomie plytvačov energie. V dnešnej dobe už aj laik vidí, že takéto počínanie začína byť krajne neúnosné.
Moja snaha preniknúť s týmito myšlienkami a informáciami na Britské listy bola neúspešná. Paradoxne, pre vyslovené sprostosti z technickej oblasti sa tam priestor vždy nájde. Články o pacyklovom stroji som zverejňoval postupne na http://proatom.luksoft.cz od júna (června) 2006. Čítanosť prvého z nich k datu presiahla 3000, ale bez podstatnejšieho záujmu. Praktický výsledok (okrem výsmechu): 0!
To je nič proti tomu, čo som v súvislosti s projektom pacyklového stroja zažil na Slovensku. – Koncom októbra (říjen) 2006 som bol v predmetnej veci na Ministerstve hospodárstva SR v Bratislave. Pracovníci sekcie energetickej politiky ma považovali zrejme za blázna, preukázali otrasnú neznalosť základných fyzikálnych vedomostí, „dohovárali“ mi slovami: „...nesnažte sa spasiť Slovensko!...“, úplne odveci ma informovali, že „...platy ministerských úradníkov vôbec nie sú také vysoké, ako si ľudia myslia...“ (jeden z mojich známych to považoval za skrytú výzvu na úplatok); nuž som rezignoval. S tou cestou som mal výdavky 1000,-Sk (pri vtedajšom mesačnom príjme 4600,-Sk), je preto pochopiteľné, že do smrti na tých bohorovných hlupákov nezabudnem.
Do Bratislavy som išiel s myšlienkou, že na základe mojich informácií o potenciálnom technickom význame pacyklového stroja, by mohla vláda SR urobiť dohodu s ostatnými členskými štátmi EÚ o dočasnom neodstavení prvého z dvoch jadrových reaktorov v Jaslovských Bohuniciach, ako sa k tomu skôr zaviazala vláda premiéra Dzurindu, a to výmenou za neskoršie poskytnutie licencií na pacyklový stroj, ktorý podľa mňa predstavuje účinný prostriedok na riešenie problémov odvrátenia energetickej krízy a zníženia obsahu oxidu uhličitého v atmosfére.
Rozpracovanie tohto projektu by mohlo naštartovať realizáciu neskromných ekonomických cieľov Lisabonskej stratégie i postupne splniť (v súčasnosti problematické) ciele Kjótskeho protokolu. Namiesto toho Lisabonská stratégia skončila obrovským fiaskom a už sa o nej ani nehovorí. Na Silvestra 2006 síce premiér slovenskej vlády, pri odstavovaní prvého jadrového reaktora v Jaslovských Bohuniciach, niečo hovoril o „zrade“, ale reaktor bol naozaj odstavený. K datu ten istý premiér, zrejme pod dojmom aktuálnych energetických problémov, už v predstihu sonduje reakcie na svoje verbálne vyjadrenia, že by sme mohli odstávku druhého jadrového reaktora v Jaslovských Bohuniciach, dohodnutú na koniec roka 2008, oddialiť. Síce by sme mohli, ale na základe čoho? Na základe akej protihodnoty oproti starému dohovoru?
Česká republika sa stane v prvom polroku 2009 predsedajúcou krajinou Európskej únie. Ak by sa v nej našli (v dostatočnom predstihu) rozumnejší politici a odborníci ako na Slovensku (lebo „na Slovensku je to tak“), ktorým by sa chcelo „unúvať“, v profesionálnych podmienkach, preverovaním mojich tvrdení o elektrotermickom rozklade vody alebo aj o reálnosti pacyklového stroja, získala by Česká republika pre zmienené predsedníctvo unikátnu tému. Prinieslo by jej to minimálne politickú prestíž. Okrem toho by „degenerujúca“ Európska únia ako celok získala solídny impulz, potenciálne schopný zvrátiť jej čoraz väčšie ideové i hospodárske zaostávanie za prudko sa rozvíjajúcim regiónom juhovýchodnej Ázie.
Na prvý pohľad sa môže zdať, že som úplne odbočil od nosnej témy článku. Osobne sa nazdávam, že to nie je tak. Všetko so všetkým súvisí. Ani v Českej republike nie je situácia (vo všeobecnosti) ideálna. A, dá sa očakávať v krátkom časovom horizonte, že (všeobecne) bude horšie. Toto, čo predvádza Strana zelených v Českej republike, podľa môjho názoru, je nonsenz. (Prosím nepovažovať to za zasahovanie do vnútorných záležitostí ČR.) A všetci, emotívne založení, priaznivci trvalo udržateľného života, si musia uvedomiť, že budúcnosť bude pre nás všetkých len a len náročnejšia. Nestačí len niečo si vytýčiť za cieľ; musí to byť cieľ reálny. O reálnosti cieľa, paradoxne, rozhodujú prostriedky zvolené na jeho dosiahnutie. A pri výbere prostriedkov treba byť (síce pragmatickým) ale odborníkom – s víziami.
reklama
