TE HNOLOŠKI MEJNIKI S KEMIJSKEGA VIDIKA I. ENERG IJA IN TRANSPORT

1. TEHNOLOŠKI MEJNIKI S KEMIJSKEGA VIDIKAI.ENERGIJAIN TRANSPORT Kemiki in kemijski inženirji so veliko prispevali na področju energije in transporta, kar nam omogoča razvoj na zemlji, v zraku in vesolju. V 19. stoletju so si ljudje pri ogrevanju svojih domov pomagali z lesom in premogom, noč so si razsvetljevali s parafinskimi svetilkami in svečami, potovali pa so z vlakom, parnikom, konjem ali peš. Kot odgovor na povečanje potreb po energiji v zadnjih dveh stoletji, je kemija pripomogla k razvoju in izboljšavam energetskih virov, tekočih goriv, baterij in novih tehnologij za pretvorbo energije. Napredki v kemiji so med drugim pripomogli k hitremu razvoju transportnega sistema z novimi in izboljšanimi materiali za avtomobile, letala, vesoljska plovila in ceste. S proizvodnjo kovin, mineralov in motornega goriva iz naravnih virov ter z ustvarjanjem novih materialov, je kemija bistveno spremenila naš način življenja. Vsebina I.1. Viri energije Koriščenje premoga kot vira energije Raziskovanje in proizvodnja nafte Jedrska energija Alternativni viri energije I.2. Shranjevanje električne energije in prenosni viri energije Baterije za enkratno uporabo Akumulatorji I.3. Materiali za ceste in mostove Beton Asfalt Kovine in zlitine Tehnologija vzdrževanja in popravila I.4. Petrokemična goriva Proizvodnja bencina iz surove nafte Dodatki gorivom Katalitski pretvorniki I.5. Motorna vozila Napredni materiali za obliko, udobje in varnost Plastične komponente Gumarska tehnologija I.6. Aeronavtika Baloni na vroč zrak Helij Raketno gorivo Konstrukcijski materiali za letala in rakete

2. Tehnološki mejniki na področju energije in transporta Kronologija 1882Prva električna centrala na premog proizvede elektriko za potrebe gospodinjstva. 1884Nemec Gottlieb Daimler oblikuje prvi enovaljni motor z dovodom goriva preko uplinjača, ki za vžig potrebuje električno iskro. 1902Na osnovi predelane surove nafte je proizveden asfalt za tlakovanje cest. 1913Termični kreking (cepljenje velikih molekul v manjše pri visokih temperaturah) ogljikovodikov omogoči povečanje produkcije bencina iz nafte. 1921Thomas Midgley mlajši uporabi tetraetil svinec kot dodatek za preprečevanje klenkanja motorja. 1936Francoz Eugene Houdry razvije katalitski kreking nafte za proizvodnjo visokooktanskega bencina. 1947Ameriško podjetje B. F. Goodrich predstavi prvo pnevmatiko brez zračnice. 1949Eveready Battery Co. zmanjša alkalno baterijo. 1954Bell Labs zasnuje prvo solarno baterijo na osnovi silicija. 1958Letalo Boeing 707 prvič poleti in se uveljavi v zračnem transportu. 1970V tem desetletju je predstavljen neosvinčen bencin; sledi zmanjševanje svinca v gorivu. 1975Avtomobilski katalizatorji so vgrajeni v večino avtomobilov. 1980-1990Litij-ionske baterije se pojavljajo v mobilnih telefonih in prenosnih računalnikih. 1981The Columbia Space Shuttle postane prvo vesoljsko plovilo za večkratno uporabo na svetu.

3. I.1. Viri energije Koriščenje premoga kot vira energije Do leta 1890 je v Združenih državah Amerike kot primarni vir energije premog popolnoma nadomestil les. Prva elektrarna na premog je bila zgrajena leta 1882. Premog je proizvajal paro, ki je poganjala generator, ta pa je proizvajal elektriko. Leta 1884 je Charles Parsons razvil učinkovitejšo visokohitrostno parno turbino. Do leta 1920 je premog v prahu zvišal učinkovitost in zmanjšal količino zraka, ki je bila potrebna za sežig. Leta 1940 se je v ciklonskih pečeh uporabljal premog slabše kakovosti, ob tem pa je nastajalo manj pepela. V zadnjem času so kemijski tehnologi za proizvodnjo energije in zmanjšanje obremenitve naravnih virov razvili metodo kurjenja premoga v prahu (stranski produkt pri izkopavanja premoga). Charles Parsons Parsonova parna turbina (1907)

4. I.1. Viri energije Raziskovanje in proizvodnja nafte Odkritje naftnega polja v Spindletopu (Teksas, ZDA) leta 1901 in izum avtomobila sta pripomogla k temu, da je do leta 1951 nafta prehitela premog kot primarni vir goriva. Kemijska tehnologija se na področju rafiniranja surove nafte, z namenom ločevanja njenih različnih kemijskih frakcij, nenehno razvija in izboljšuje. Pričelo se je s preprosto atmosfersko destilacijo, nadaljevalo pa z vakuumsko destilacijo, termičnim krekingom in uporabo katalizatorjev. V začetni stopnji pridobivanja surove nafte se vloga kemije najbolj kaže v vrtanju s svedri z diamantno konico, vrtalnimi tekočinami in pridobivanju nafte z ekstrakcijo iz skrilavca s pomočjo kemikalij in pare. Pri procesih druge stopnje pa v črpanju visokotlačnega plina (ogljikovega dioksida) ali vodnih raztopin v zemljo.

5. I.1. Viri energije Jedrska energija Prvi jedrski reaktor je bil razvit leta 1942 za potrebe vojske. Po 2. svetovni vojni se je uporaba jedrske tehnologije razširila tudi na druga področja, vključno s pridobivanjem električne energije, leta 1951 s programom »Atomi za mir« (Atoms for peace) predsednika Eisenhowerja. Kemija na tem področju igra pomembno vlogo od vsega začetka - s proizvodnjo radioaktivnih materialov, ki se uporabljajo za pogon reaktorjev, kontrolnimi palicami za razporeditev pretoka nevtronov iz jedrskega razpada, s ponovno predelavo že uporabljenih gorivnih palic, upravljanjem z odpadki, zaščito okolja in zmanjševanjem škodljivih vplivov izpostavljanja sevanju.

6. I.1. Viri energije Alternativni viri energije Metode pridobivanja okolju prijazne energije z vetrom, hidroelektrarnami in geotermalnimi viri predstavljajo manj kot 1 % svetovne proizvodnje energije, a v zadnjem času močno pridobivajo na vrednosti glede na svojo varčnost in razpoložljivost. S pomočjo kemije so bile med drugim razvite turbine iz lahkih karbonskih vlaken za vetrne elektrarne, solarne celice za potrebe termalnega in fotonapetostnega pridobivanja energije, beton in kovinske turbine za hidroelektrarne ter korozijsko odporni materiali za pridobivanje energije iz geotermalnih virov. Prvi sončni kolektor na osnovi silicija (1954)

7. I.2. Shranjevanje električne energije in prenosni viri energije Baterije za enkratno uporabo Shranjevanje električne energije je razvil Alessandro Volta konec 18. stoletja. Od tedaj je kemija veliko pripomogla k nadaljnjim izboljšavam baterijske kapacitete. Leta 1890 je cink-ogljikov suhi člen nadgradil Leclanchéjev model baterije s tekočim členom. Te so se proizvajale za potrebe ročnih svetilk in so v uporabi še danes. V letu 1949 je nova alkalna pasta za navadne baterije podaljšala njihovo življenjsko dobo in omogočila miniaturizacij. Njihova uporabnost se je hitro razširila na področje prenosnih elektronskih naprav in fotoaparatov. Novejši modeli baterij uporabljajo tudi srebrov oksid, živosrebrov oksid ali litij. Cink-ogljikove baterije s suhim členom

8. I.2. Shranjevanje električne energije in prenosni viri energije Akumulatorji Leta 1859 je bil svinčev akumulator eden prvih komercialnih primerov uporabe kontrolirane kemijske reakcije za pridobivanje energije. Njegova izboljšava v letu 1881 in nenehen razvoj vse do danes, so pripomogli k temu, da je še vedno vodilni vir energije za avtomobile in tovornjake. Nikelj-kadmijeve baterije za večkratno uporabo, ki so bile prvič oblikovane leta 1899, so bile predrage za tekmovanje s tržno konkurenco. Moderni razvoj se je osredotočil na litij. Po propadlem poizkusu uporabe litijevih baterij leta 1980 so v vsakdanji uporabi prevladale litij-ionske baterije, ki jih najdemo v mobilnih telefonih in prenosnih računalnikih.

9. I.3. Materiali za ceste in mostove Beton V šestdesetih letih 20. stoletja je v Združenih državah Amerike obsežna gradnja meddržavnih avtocest v veliki meri slonela na trdnosti in trajnosti betona za ceste in mostove. Portland cement je bil izdelan leta 1824, leta 1877 pa ga je Francoz Joseph Monier patentiral kot železo-beton. Bistvena lastnost tega cementa je počasno strjevanje zaradi niza kemijskih reakcij, pri katerih cement zapolni praznine med delci in železnimi palicami. Vzdržnost in čvrstost sta odvisni od natančnega nadzora izdelave cementa. Dodajanje različnih kemikalij prvotni mešanici betona lahko zmanjša krčenje materiala in izboljša odpornost pred korozijo.

10. I.3. Materiali za ceste in mostove Asfalt Asfalt je priljubljen material za izgradnjo cest zaradi nizkih stroškov in dobre vzdržljivosti. Naravni asfalt je bil odkrit že leta 1595, a šele leta 1902 so kot vezivo uporabili premogovno smolo in ga pričeli uporabljati za tlakovanje cest. Bitumen, trden ali poltrden ostanek procesa rafiniranja nafte, je hitro nadomestil naravni asfalt pri asfaltiranju cest. V zadnjih letih se asfaltu dodajajo sintetični polimeri za izboljšanje kvalitete in odpornosti. Superpave (kratica za “Superior Performing Asphalt Pavements”) je najnovejša tehnika za pridobivanje visoko kakovostnega asfalta, ki bolje prenaša težo in škodljive vplive okolja.

11. I.3. Materiali za ceste in mostove Kovine in zlitine Jeklo je postalo primaren strukturni material za mostove zaradi svoje lahkosti, čvrstosti, vzdržljivosti, enostavnega in poceni vzdrževanja, enostavne montaže ter odpornosti proti naravnim nesrečam, kot so potresi. Nova kakovostna jekla, ki so bila razvita v devetdesetih letih 20. stoletja so znana po svoji trdnosti in odpornosti proti koroziji. Za zaščito jekla v mostovih se uporablja tudi tehnologija metalizacije, kjer očiščeno površino jekla prekrijemo z aluminijem ali cinkom in s tem ustvarimo zaščitno plast, ki zdrži tudi 30 let.

12. I.3. Materiali za ceste in mostove Tehnologija vzdrževanja in popravila Cestna infrastruktura mora ostati kakovostna skozi daljše časovno obdobje kljub slabim vremenskim in ostalim pogojem. Inovacije v konstrukciji in vzdrževalnih materialih dovoljujejo daljše intervale med popravili cest. Tesnilna sredstva za beton, asfalt in jeklo podaljšujejo življenjsko dobo cest. Druge kemikalije in polimerni materiali delujejo kot veziva in s tem izboljšujejo vzdržljivost asfaltnih cest. Stiren-butadien-stiren tako pripomore k manjšemu številu razpok in poškodb cestišča.

13. I.4. Petrokemična goriva Proizvodnja bencina iz surove nafte V rafinerijah so sprva uporabljali visoke temperature (termični kreking, 1913) za cepitev večjih molekul v oljih v manjše, ki se nahajajo v bencinu. Na ta način so izboljšali postopek pridobivanja bencina iz surove nafte. Ker pa so pri visokih temperaturah nastajali tudi neželeni stranski produkti, se je od leta 1928 uporabljala še vakuumska destilacija, ki je potekala pri nižjih temperaturah. Namesto visoko temperaturnega postopka je Eugene Houdry leta 1936 razvil postopek uporabe inertnega katalizatorja (katalitski kreking), ki je prešel v splošno rabo v letu 1937 in moderniziral proizvodnjo bencina. Eugene Houdry z modelom katalizatorja

14. I.4. Petrokemična goriva Dodatki gorivom Thomas Midgley mlajši uporabi tetraetil svinec kot dodatek k bencinu za preprečevanje klenkanja motorja (1921) V zgodnjih avtomobilskih motorjih je bilo prisotno 'klenkanje‘, kadar se je uporabljal bencin slabše kakovosti. Leta 1921 je bil bencinu dodan tetraetil svinec, da bi delovanje motorja potekalo čim bolj gladko in tiho. Leta 1926 je bilo predstavljeno merjenje oktanskega števila za ugotavljanje kakovosti bencina. V 70. letih se je uporaba svinčevih dodatkov drastično zmanjšala zaradi škodljivega vpliva na okolje. Dandanes so bencinu dodane manjše vrednosti kemikalij: alkoholi in etri za izboljšanje oktanskega števila, deaktivatorji kovin za boljše delovanje in detergenti za zmanjšanje trenja ter podaljšanje življenjske dobe motorja. Nekateri sezonski dodatki, kot npr.: metanol se uporabljajo za preprečevanje zmrzovanja cevovodov.

15. I.4. Petrokemična goriva Avtomobilski katalizatorji Dvostopenjski avtomobilski katalizatorji so bili vpeljani leta 1975 za zmanjšanje emisij ogljikovega monoksida in ogljikovodikov. Kmalu je bila dodana še tretja stopnja za odstranitev dušikovih oksidov iz izpušnih plinov. Avtomobilski katalizatorji delujejo na principu serije kemijskih reakcij, ki potekajo okoli kovinskega (največkrat platinastega) katalizatorja. Dušikovi oksidi so tako pretvorjeni v dušik in kisikove spojine, ogljikov monoksid v ogljikov dioksid, neizgoreli ogljikovodiki pa v vodo in ogljikov dioksid. Tristopenjski avtomobilski katalizator

16. I.5. Motorna vozila Napredni materiali za obliko, udobje in varnost Avtomobili 21. stoletja so po obliki, udobju in varnosti potnikov le malo podobni svojim zgodnjim prednikom. HID žarometi omogočajo maksimalno nočno osvetlitev. Z uporabo posebnih proti-korozijskih premazov in materialov se je obstojnost kovin močno podaljšala. Kemične hladilne tekočine krožijo v zaprtem sistemu. Leta 1914 so bila v avtomobilsko industrijo uvedena varnostna stekla. V današnjem času se na račun stekel s posebnimi polimernimi premazi zmanjšuje teža avtomobilov, zunanji hrup in izboljša zaščita pred ultravijoličnim sevanjem. Inovacije na področju varnosti so tudi polimerna vlakna v varnostnih pasovih (obveznih od leta 1960) in v varnostnih blazinah (obveznih od leta 1996).

17. I.5. Motorna vozila Plastične komponente Kemijski dosežki so omogočili uveljavljanje novih materialov in zamenjavo kovinskih materialov s plastičnimi ter posledično zmanjšanje teže avtomobilov. Po drugi svetovni vojni so izdelovalci avtomobilov pričeli uporabljati sintetične polimere na osnovi nafte za nosilne strukturne komponente zaradi njihove odpornosti, trdnosti in dobrega kljubovanja vremenskim razmeram. Po energetski krizi v 70. letih, se je z namenom zmanjšanja porabe goriva pričelo iskanje lažjih materialov, ki bi nadomestili kovine. Uporabljati so se začeli kompleksnejši plastični odlitki, termoplastični odbijači, barvno in UV stabilna polipropilenska vlakna ter posebni laki in lepila. Polipropilenska vlakna

18. I.5. Motorna vozila Gumarska tehnologija Produkti iz naravnega kavčuka so se pojavili v zgodnjem 19. stoletju, a so bili nepraktični zaradi svojega mehčanja v vročih ali krhkosti v hladnih vremenskih razmerah. Ameriški izumitelj Charles Goodyear je leta 1839 razvil proces vulkanizacije kavčuka, pri katerem se žveplo veže v verige kavčuka. Ta osnovni postopek je še vedno v uporabi, le da se dodajajo še kemijski katalizatorji in stabilizatorji. Do leta 1946 se je sintetični kavčuk že izdeloval v komercialne namene. Ko se je potreba po pnevmatikah povečala, so se pojavile še druge izboljšave: uvedba zračnice je zamenjala polno gumasto pnevmatiko, naravne ali sintetične vezi so ojačale konstrukcijo, dodatni materiali so pripomogli k zmanjšani obrabi in nenazadnje – izum pnevmatike brez zračnice.

19. I.6. Aeronavtika Baloni na vroč zrak Po letu 1783, ko je človek prvič poletel z balonom na vroč zrak, so bile inovacije na tem področju revolucionarne. Vroči zrak je hitro nadomestil vodik, ki je bil lažji za upravljanje. Balonarstvo je postalo zelo popularen šport v Združenih državah Amerike z več kot 5000 balonarji. Prispevek kemije na tem področju predstavljajo temperaturno obstojne najlonske tkanine dostopnih cen in tehnologija tekočega propana za pogon balonov.

20. I.6. Aeronavtika Helij Kljub temu, da so baloni na vodik (kot zrakoplov Hindenburg, ki je eksplodiral leta 1937) imeli togo konstrukcijo, je vnetljivost vodika vedno predstavljala veliko nevarnost. Po odkritju nahajališča naravnega helija v Kansasu leta 1905, je bilo tega plina naenkrat v izobilju. Med prvo svetovno vojno je kemijska tehnologija omogočila pridobivanje, skladiščenje in transport velikih količin helija. V času druge svetovne vojne so majhna letala s helijem varno spremljala čete in oskrbovalne ladje v bližini podmornic. V 50. letih se je helij uporabljal kot zaščitni plin pri varjenju konstrukcij raket in kot pogonsko sredstvo za potisk raketnega goriva v motorje. Nesreča zrakoplova Hindenburg (1937)

21. I.6. Aeronavtika Raketna goriva Od prvih testnih raket, ki so bile izstreljene v 20. letih prejšnjega stoletja, do komunikacijskih satelitov v 50. letih in Space Shuttla za večkratno uporabo v 80. letih, so človeški poleti v vesolje osupljiv dosežek tehnike. Za uspešne polete v vesolje so potrebne rakete z dovolj velikim potiskom, kar omogoča premagovanje Zemljinega gravitacijskega polja. Prvo raketo, ki je bila izstreljena v letu 1926, je poganjalo tekoče gorivo iz mešanice bencina in tekočega kisikovega oksidanta. Kasneje so se uporabljala različna goriva in oksidanti v tekoči ali trdni obliki. Space Shuttle za gorivo uporablja tekoči vodik, motorji za vzlet pa delujejo na trda goriva na osnovi aluminija in amonijevega perklorata, ki je hkrati oksidant in vezivo.

22. I.6. Aeronavtika Konstrukcijski materiali za letala in rakete Z razvojem materialov, ki zadoščajo konstrukcijskim zahtevam, je kemijska tehnologija pomembno pripomogla k razvoju modernih zračnih plovil. V preteklosti sta se kot materiala uporabljala les in platno, danes pa konstrukcija predstavlja vrhunec sofisticirane tehnologije. Za boljšo čvrstost letal, lahkost konstrukcij ter temperaturno in korozijsko odpornost letal so bile razvite kovinske zlitine na osnovi aluminija in titana. Zaradi izrednih obratovalnih razmer so za rakete potrebni posebni materiali, kot so posebne plošče na izpostavljenih mestih Space Shuttle (1980), ki ga ščitijo pred visokimi temperaturami pri vstopu v atmosfero. Najprej so bile plošče iz cirkonijevih kompozitov, zadnja generacija pa sestoji iz silicijevih vlaken.