Ze smetí na špičkovou technologii: druhý život slupek burských oříšků
Australští vědci prokázali, že z použitých slupek burských oříšků lze během několika minut vyrobit vysoce kvalitní grafen. Materiál, jehož výroba byla dosud drahá a komplikovaná, by se najednou mohl stát výrazně dostupnějším – a to bez použití jakýchkoliv toxických chemikálií.
Proč jsou slupky oříšků tak zajímavou surovinou
Celosvětová produkce burských oříšků dosahuje každoročně desítek milionů tun. Spolu s ní vzniká obrovské množství odpadu – samotných slupek se ročně vyprodukuje přes 10 milionů tun. Většina z nich skončí na skládkách nebo se využije pouze k jednoduchým účelům, jako je kompost či palivo.
Přitom v těchto nenápadných slupkách se skrývá něco cenného. Jejich stěny jsou bohaté na lignin – rostlinný polymer s vysokým obsahem uhlíku. A právě uhlík je základní stavební prvek grafenu. Australský tým vedený inženýrem Guanem Yeohem z Univerzity Nového Jižního Walesu se rozhodl tuto výhodu využít.
Místo klasických surovin, jako je saze z ropy, vědci sáhli po levném a snadno dostupném zemědělském odpadu. Výsledky jejich výzkumu byly popsány ve vědeckém časopise zaměřeném na chemické a materiálové inženýrství.
Grafen ze slupek burských oříšků dosahuje kvality materiálů z nákladných procesů, přičemž spotřebuje zlomek energie a nevyžaduje žádné agresivní chemikálie.
Co vlastně grafen je a proč kolem něj panuje takový rozruch
Grafen patří mezi nejžádanější struktury v oblasti moderních materiálů. Jedná se o jedinou vrstvu atomů uhlíku uspořádaných do šestihranné sítě připomínající plástev medu. Zní to abstraktně, ale jeho vlastnosti jsou naprosto konkrétní.
- Je pevnější než ocel, přičemž je neuvěřitelně tenký.
- Vede elektrický proud lépe než měď.
- Je téměř průhledný.
- Má obrovský povrch v poměru ke své hmotnosti.
Problém spočívá v tom, že výroba kvalitního grafenu je stále složitá, nákladná a energeticky náročná. To výrazně omezuje jeho využití v masové elektronice, skladování energie nebo medicíně.
Dvě fáze zahřívání: jak funguje „vypalování" grafenu z biomasy
Australský postup vychází z jednoduchého, ale důmyslného schématu. Namísto zdlouhavých chemických reakcí s kyselinami a rozpouštědly se celý proces skládá ze dvou fází řízeného, velmi intenzivního zahřívání.
První fáze: ze slupky vzniká uspořádaný uhlíkový meziprodukt
Nejprve se slupky burských oříšků rozdrtí na jemné úlomky. Tento prášek se vloží do zařízení, kde se nepřímo zahřívá elektrickým proudem prostřednictvím Jouleova ohřevu. Teplota dosáhne přibližně 500 °C a udržuje se po dobu pěti minut.
Během tohoto procesu se z materiálu uvolňují kyslík, vodík a různé nečistoty. Zbyde převážně uhlík formovaný do struktur bohatých na aromatické kruhy. Jde o něco na pomezí obyčejného uhlíku a přesně uspořádané kostry, která je připravena k dalšímu přechodu směrem ke grafenu.
Kvalita meziproduktu rozhoduje o kvalitě výsledného grafenu – pokud je první krok nekvalitní, materiál bude plný defektů.
Druhá fáze: bleskový tepelný šok přes 3 000 °C
Druhá fáze využívá tzv. flash Joule heating. Tentýž uhlíkový prášek dostane ultrakrátký, ale extrémně silný impulz elektrické energie. Během několika milisekund teplota vyskočí nad 3 000 °C. Takových hodnot by bylo v běžných pecích prakticky nemožné dosáhnout, ale proudový impuls je dokáže na okamžik vygenerovat.
V tak krátkém čase se atomy uhlíku nestihnou spálit, ale získají dostatek energie k tomu, aby si samovolně přeuspořádaly své polohy. Z chaotického „nepořádku" tak vznikají tenké, vrstvené struktury – tedy grafen.
Celý postup, od rozdrcení slupek až po získání hotového materiálu, trvá přibližně deset minut. Bez jakýchkoliv rozpouštědel, katalyzátorů nebo toxických přísad.
Jaký grafen vzniká a kde ho lze využít
Výsledný materiál je tzv. turbostatický grafen. Jednoduše řečeno, skládá se z několika tenkých vrstev, které nejsou dokonale zarovnány, ale leží na sobě v mírně neuspořádaném pořadí.
Nejde o dokonalý laboratorní „list" používaný v nejpokročilejším fyzikálním výzkumu. Nicméně pro praktické aplikace, kde záleží na vodivosti, povrchu a odolnosti, se hodí výborně.
| Využití | Jak grafen z biomasy pomáhá |
|---|---|
| Baterie a superkondenzátory | Zlepšuje vodivost, zvyšuje kapacitu, urychluje nabíjení |
| Solární panely | Může nahradit dražší vodivé materiály a snížit náklady |
| Dotykové obrazovky | Vodivé, průhledné vrstvy místo vzácných kovů |
| Medicínské senzory | Citlivé, ohebné snímače na kůži nebo ve wearables zařízeních |
Pro průmysl to zní jako seznam samých výhod: levná surovina, nízké energetické náklady, žádný toxický odpad a materiál vhodný pro sériovou výrobu zařízení.
Kolik to stojí a vyplatí se to ve velkém měřítku
Yeohův tým spočítal, kolik energie je potřeba k výrobě jednoho kilogramu tohoto grafenu. Z výpočtů vyšlo přibližně 1,30 amerického dolaru za kilogram – tedy v přepočtu zhruba 1,10 eura jako čistý energetický náklad.
Pro srovnání, komerční grafen se dnes prodává výrazně dráže a jeho výroba spotřebuje podstatně více energie a vyžaduje nákladnější infrastrukturu. Pokud by se popsaný postup podařilo přenést do průmyslového měřítka, cena materiálu by mohla klesnout o řád. To otevírá cestu k masovému využití tam, kde dosud stála v cestě ekonomická bariéra.
Grafen, který byl dosud spíše zajímavostí pro technologické niky, by se mohl stát součástí levné elektroniky pro každodenní použití.
Vědci nyní plánují přechod z laboratorní úrovně na pilotní linky. Hovoří o horizontu tří až čtyř let, během nichž chtějí představit funkční prototyp zařízení, které bude vyrábět grafen ze skutečného proudu zemědělského odpadu.
Nejen oříšky: grafen z kávové sedliny a banánových slupek
Slupky burských oříšků byly na prvním místě seznamu proto, že jsou levné, běžně dostupné a bohaté na lignin. Vědci se ale nehodlají zastavit jen u nich. V plánu jsou testy s dalšími druhy biomasy: kávovou sedlinou, banánovými slupkami i jinými rostlinnými odpady s vysokým obsahem uhlíku.
Pokud se proces ukáže jako dostatečně flexibilní, každé město by v budoucnu mohlo přeměňovat svůj organický odpad na cenný materiál pro místní průmysl. To už není pouze téma pokročilé fyziky materiálů, ale také oběhového hospodářství a nakládání s odpady.
Co to může znamenat pro běžného uživatele elektroniky
Na první pohled se grafen z biomasy jeví jako vzdálené téma pro průměrného uživatele chytrého telefonu. V praxi ale mohou být důsledky velmi hmatatelné.
- Déle vydržující baterie a rychlejší nabíjení telefonů i notebooků.
- Lehčí a tenčí zařízení díky pevnějším, ale jemnějším strukturám.
- Levnější solární panely na střechách domů.
- Citlivější fitness náramky a zdravotní senzory sledující organismus v reálném čase.
Pokud výrobní linky začnou využívat odpad místo drahých fosilních surovin, nákladový tlak na výsledná zařízení může klesnout. To zase usnadní zavádění nových technologií do levnějších tržních segmentů.
Příležitosti, omezení a otázky, na které teprve čekají odpovědi
Přestože koncept vypadá slibně, zůstává několik otazníků. Je třeba ověřit, jak se proces bude chovat při nepřetržitém provozu v továrně, a ne jen v krátkých laboratorních cyklech. Důležité bude také to, zda bude kvalita grafenu jednotná při zpracování tun materiálu a jak ji ovlivní rozdíly ve složení biomasy z různých plodin nebo regionů.
Stojí také za to dívat se na věc šířeji. Pokud část zemědělského odpadu získá novou hodnotu, změní se ekonomika celých dodavatelských řetězců. Zemědělci mohou získat dodatečný zdroj příjmů, firmy zabývající se odpadovým hospodářstvím nové trhy a výrobci elektroniky stabilnější dodávky klíčových materiálů.
Pro ty, kteří se zajímají o zelenou transformaci, je to pozoruhodný příklad toho, jak jeden nápad spojuje hned několik cílů: omezení odpadu, snížení energetické náročnosti průmyslu a rozvoj nové generace součástek pro zařízení, která používáme každý den.
