Alternativní paliva
7. 3. 2009
Omezené zdroje ropy, klimatické změny a znečištění ovzduší – to vše vyvíjí tlak na vědecké instituce, aby hledaly alternativní paliva. Solární energie, energie větru a vln oceánu – to vše mohou využít naše domácnosti. Pokud však nejsou k dispozici ani zásuvky, ani dráty, musíme využít odlišné druhy paliva. Michael odhalí energii obsaženou v molekulách vody a bio-etanolu a vysvětlí, odkud tato energie pochází. Určitě si nenechte ujít hlasitou a výbušnou demonstraci našich budoucích paliv!
Tereza: Světová politika a ceny ropy jsou nestálejší než kdykoli předtím. A dopady spalování miliónů litrů fosilních paliv na životní prostředí si již taky začínáme uvědomovat. Potřeba změny v energetice je tedy neoddiskutovatelná. Existuje řešení?
Michael: Je to energie slunce nebo větru, vody, atomu anebo čistší uhlí? Odpovědí bude asi směs všech těchto možností … a přísady tohoto burbonu. Děkuji. Na zdraví.
Tereza: V Michaelově whisky je přibližně 40 % etanolu a 60 % vody. Obojí jsou to přírodní látky a obojí alternativní paliva.
Michael: Etanol v této whisky je vyroben z kukuřice. Glukóza, jednoduchý cukr, vznikl z oxidu uhličitého a vody v obilí prostřednictvím fotosyntézy.
Tereza: Glukóza se pak extrahuje z kukuřice a fermentuje pomocí kvasnic na etanol a oxid uhličitý.
Michael: Během spalování etanol reaguje s kyslíkem ze vzduchu. Vzniká oxid uhličitý, voda a teplo.
Filip: Na obou stranách rovnice je stejné množství molekul každého typu. Čistá reakce celkové produkce a spotřeby etanolu je proto pouze: Sluneční světlo – teplo.
Tereza: A protože to je Michaelův experiment a my nejsme žádní troškaři, ukážeme vám výbuch etanolových par, stačí pouze pár kapek etanolu. Můžete si představit, že toto je válec zážehového motoru brazilského automobilisty.
Tereza: Právě brazilská auta totiž používají k pohonu především etanol, který se vyrábí z cukrové třtiny.
Tereza: Michaele … Připravit. Tři, dva, jedna, … zážeh.
Tereza: Vypadá to dobře, že? Etanol jako palivo má ovšem podstatné nedostatky.
Michael: Podle některých odborníků je energie, spotřebovaná na pěstování, hnojení, přepravu a zpracování kukuřice na etanol větší, než energie, kterou z tohoto etanolu získáme.
Tereza: Kukuřice, využitá na výrobu etanolu, následně chybí na potravinářském trhu, což způsobuje její nedostatek a nárůst cen potravy.
Tereza: A co voda – H2O? Opravdu ji můžeme použít jako palivo?
Michael: Palivo z vody. U mě to není problém. Podívejte.
Filip: Potřebujeme běžnou plochou baterii o napětí čtyři a půl Voltu. Na její elektrody napojíme vodiče, na jejichž druhý konec připevníme větší železné hřebíky.
Tereza: Oba hřebíky zasuneme do jednoduchého držáku z lepenky.
Michael: Když necháme procházet vodou elektrický proud, ten ji rozkládá na kyslík a vodík.
Tereza: V čisté vodě ale tento proces probíhá velmi pomalu.
Michael: However, if we add a water-soluble electrolyte, like NaOH, then the conductivity of water rapidly rises to considerable levels.
Když ale přidáme ve vodě rozpustný elektrolyt, jako je hydroxid sodný, vodivost vody výrazně vzroste.
At the cathode, which is where the negative electrode is, where electrons have been passed into the water, hydrogen gas is forming.
Vodík se ve vodě uvolňuje u katody, tedy záporně nabité elektrody, kde do vody přecházejí elektrony.
And at the anode we can see the formation of oxygen gas.
Zatímco kyslík se objevuje u anody.
Michael: Let’s repeat the same experiment, but now on a much larger scale. And also this time with a catch on to the hydrogen gas into this bottle. So a box like this with some normal tap water. Tereza – salt! This time the salt is going to be an electrolyte. Let’s give a bit of a stir.
Zopakujme tentýž pokus, ale tentokrát v mnohem větším měřítku. A tentokrát budeme vodík zachycovat do této láhve. Tedy takováhle krabice s normální vodou z vodovodu. Terezo, sůl. Tentokrát bude elektrolytem sůl. Trochu to zamícháme.
Here I have a box, which can send through thirty Volts and allows a maximum of four Amps of a current.
Tahle krabice může vyvinout napětí třiceti Voltů. A největší proud čtyři Ampéry.
We have to wind around a nail this piece of copper.
Kolem hřebíku musíme ovinout tento kus mědi.
Michael: Into an empty bottle we want to put some of this salty water. And into the bottle of salty water we’re going to carefully put our cathode, that’s the negative electrode, into the water, into the bottle. Then carefully place the bottle with the electrode into our salt water bath.
Prázdnou láhev naplníme částí této slané vody. A do této láhve, do vody, pozorně vložíme katodu, tedy zápornou elektrodu. Pak láhev s elektrodou opatrně vložíme do slané lázně.
Then we’re going to hold on the bottle with the piece of wire. And I’m ready. Tereza, you put that inside there. And now, we can turn it on.
Láhev upevníme kusem drátu. A já jsem hotov. Terezo, tohle polož dovnitř. A teď to můžeme zapnout.
Michael: And here we can see the bubbles of hydrogen gas slowly collecting inside our bottle.
A zde vidíme bublinky vodíku, které se pomalu hromadí uvnitř láhve.
A teď stačí jen čekat.
Tereza:S postupující elektrolýzou jsme pozorovali, jak železo z hřebíků zabarvovalo vodu do rezava.
Filip: Po několika minutách elektrolýzy Michael vypíná zdroj proudu. Ano, raději gumové rukavice. Naše ruce ponoříme do elektrolytu, tedy roztoku vody se solí.
Michael: Je tam vodík.
Tereza: Teď se malé množství zachyceného vodíku sloučí s kyslíkem ze vzduchu. Bude to jakýsi miniaturní náznak spalování, které probíhá při startu raketoplánu.
Tereza: My jsme s Michaelem celý den pilně sbírali vodík a teď se podíváme na jeho sílu.
Michael: Vodík se za přítomnosti kyslíku spaluje a vzniká jenom voda. Ale přitom se uvolňuje spousta, spousta energie. Jen se dívejte.
Michael: Tak co vy na to? Ještě jednou? Ale tentokrát za tmy.
Tereza: Ale tentokrát já.
Filip: Náš pokus jsme pro vás natočili poprvé pomocí rychloběžné kamery. Tak probíhá výbuch balónku s vodíkem zpomalený čtyřicetkrát.
Filip:A teď dvě stě padesátkrát.
Tereza: Náš kyslíko-vodíkový raketový pohon zpomalený čtyřicetkrát. Každou sekundu kamera zachytila tisíc snímků.
Filip: Takto vybuchuje směs vodíku s kyslíkem uzavřená v mýdlových bublinách. Tisíc snímků za sekundu.
Filip: A jednotlivé snímky, natočené frekvencí šesti tisíc dvou set snímků za sekundu.
Tereza: Michael zapaluje zápalku. Tisíc snímků za sekundu.
Tereza: Čtyřicetkrát zpomalené plameny hořícího etanolu.
Filip: Michael jako chemik intenzivně studuje sloučeniny zajímavého prvků boru. Tímto zeleným plamenem hoří etanol, do něhož Michael přidal právě trochu boru.
Tereza: Máme tu tedy dva energetické systémy: etanol, který nám umožňuje přeměnit energii slunečního světla na teplo … a potom vodu, která nám pomáhá na teplo přeměnit elektřinu.
Michael: Viděli jsme výhody a nevýhody těchto systémů. Kolem obojího nás čeká ještě spousta práce. Budete právě vy těmi vědci, kteří najdou řešení a vyvinou technologii, která bude účinně uvolňovat energii z vody a etanolu?
Autoři: Vladimír Kunz, Michael Londesborough