Študenti gymnázia v Martine navrhli efektívnu elimináciu skleníkového plynu z priemyslu

Priemyselné podniky sú najväčším producentom oxidu uhličitého – spaľovaním fosílnych palív sa dostáva do atmosféry, obalu zemegule, kde spôsobuje takzvaný skleníkový efekt. Je to prirodzený proces, ktorým určité plyny ľahko prepúšťajú slnečné žiarenie k Zemi a znemožňujú jeho únik späť do vesmíru, čím na planéte vytvárajú ideálne klimatické podmienky. Poslednými rokmi sa ale do atmosféry dostáva väčšie množstvo látok, napríklad oxid uhličitý, metán či vodná para, ktoré tento efekt nadmerne podporujú, a tak nežiaduco zvyšujú teplotu na Zemi. Dnes už síce existujú spôsoby, ktoré zabraňujú vstupu oxidu uhličitému do atmosféry, avšak riešenia nie sú rozšírené. Maturanti z Martina sa preto rozhodli zostaviť vlastné technologické zariadenie za pomoci znalostí chémie a techniky. Predstavili ho na minuloročnom Festivale vedy a techniky, z ktorého postúpili na medzinárodnú súťaž EUCYS do Holandska.

Vo svojom voľnom čase sa Marek venuje oprave mechaniky starých áut a Martin hrá bedminton či doučuje matematiku. Spoločne sa však zhodujú v tom, že životné prostredie a zmenšovanie uhlíkovej stopy by mali byť blízke každému, bez toho, ako sa témy odrážajú v každého záľubách. „Je dôležité byť čo najmenšou záťažou pre prírodu. Ako jednotlivci však nemáme príliš veľkú šancu hýbať so zmenami na globálnej úrovni. Iniciatíva by mala prichádzať hlavne od veľkých producentov oxidu uhličitého a nie všetci z nich majú dobre zvládnuté riešenie tejto otázky. Dekarbonizácia nás zaujala o to viac, keď sme videli, že na internete sa predávajú výrobky zo zachyteného oxidu uhličitého z atmosféry. Napríklad vodka,“ smeje sa Marek a pokračuje, „zároveň sme si ale všimli, že tieto produkty sú veľmi drahé, čo nás priviedlo k otázke, koľko také zachytávanie oxidu uhličitého môže stáť a zistili sme, že sa to pohybuje v pomerne veľkých číslach. Nedalo nám to, a tak sme si povedali: poďme prísť na spôsob, ako ekologicky, lacnejšie a menej náročne zachytávať oxid uhličitý.“

Princíp každého dodnes vyvinutého zachytávacieho zariadenia je založený na chemickej reakcii oxidu uhličitého a roztoku hydroxidu sodného. Produktom reakcie je hydrogenuhličitan sodný, čiže sóda bikarbóna, z ktorej sa oxid uhličitý vyextrahuje v špeciálnej zbernej nádobe. Vďaka tomu môže reakcia prebiehať cyklicky, pretože po oddelení oxidu uhličitého ostávajú látky, ktoré môžu reakciu znova opakovať (vysvetlenie princípu reakcie nájdete v ich práci). Samotná reakcia je teda veľmi efektívna, naproti tomu však zaostáva technologické prevedenie, ktoré má zaistiť jej najúčinnejší priebeh a práve to je ústrednou témou stredoškolákov. „Dostať z atmosféry oxid uhličitý je veľmi náročné, pretože sa v nej rozptýli, kdežto vo výpare v komíne ho máme na dosah – tu sa drží koncentrovaný pohromade. Preto je lepšie sa sústrediť na dekarbonizáciu v procese spaľovania priamo vo výrobe,“ dodáva Martin.

Rozprašovanie roztoku hydroxidu sodného na emisné plyny je spôsob prevedenia reakcie, s ktorým sa tvorcovia projektu ešte nestretli. Aj napriek tomu, že sa stali istými priekopníkmi, tvrdia, že tento nápad bol ich prvotná myšlienka: „Aby sme boli schopní zachytiť čo najväčšie množstvo látky, rozhodli sme sa využiť dôležitú zákonitosť, a to veľkosť plochy, na ktorej reakcia prebieha – čím je väčšia, tým je reakcia efektívnejšia. Keď kvapalinu rozprášime na drobné kvapôčky, chemický dej bude dôslednejší,“ vysvetľuje Marek princíp, ktorý ich odlišuje od ostatných dekarbonizačných riešení, „náš vynález je unikátny aj vo svojej modulárnosti. Ostatné zariadenia si vyžadujú postavenie separátnej veže, v ktorej sa emisie z plynov zachytávajú. Náš model predstavuje nástavec na komín, ktorý funguje ako filter výparov zo spaľovania.“

Martin dopĺňa: „Taktiež sme sa rozhodli toto technologické riešenie obohatiť o senzory, ktoré budú snímať koncentráciu oxidu uhličitého v emisnom plyne. Digitalizáciou vieme docieliť čo najefektívnejší priebeh reakcie, pretože na základe údajov o množstve látky sa dá prispôsobiť zloženie rozprašovaného roztoku a tiež uhol, pod ktorým bude dopadať na výpary. Tento nápad si chystáme na medzinárodnú súťaž.“

Svoje hypotézy podrobili výskumu a podľa výpočtov je ich technika mimoriadne úspešná – zistili, že rozprašovaním dokážu z emisných plynov odstrániť až 95 % oxidu uhličitého. „Zvyšných 5 % nezachytenej látky je spôsobených stavaním konštrukcie v našich podmienkach a nedokonalým vstrekovaním hydroxidu sodného. To však môže vyriešiť digitalizácia, ktorú spomínal Martin, v podobe senzoru koncentrácie oxidu uhličitého – každá spoločnosť si ním pre svoje špecifické podmienky nastaví rozprašovanie tak, aby filter zachytil čo najviac látky.“ Aby dokázali, že nápad funguje nielen na papieri, ale aj v praxi, rozhodli sa zostrojiť model: „Postavili sme zmenšený komín s dekarbonizačným nástavcom a imitovali sme horenie paliva. K modelu sme vytvorili taktiež banku pre zber oxidu uhličitého a na konštrukciu sme namontovali balónik, ktorý sa počas horenia nafúkol. To bol dôkaz toho, že sa nám podaril oxid uhličitý zachytiť,“ približuje Martin experiment.

Projekt o dekarbonizácii nie je však jediný, ktorému sa Marek a Martin tento školský rok venovali. Zapojili sa aj do medzinárodnej fyzikálnej súťaže WYPIO, kde sa im podarilo umiestniť na štvrtom mieste a do súťaže WISPO, na ktorej obhájili prvé miesto v kategórii Science and Mathematics. Venovali sa teoretickej fyzike, takzvanej super symetrii: „Častice, ktoré vykazujú túto vlastnosť, neboli doposiaľ objavené. Super symetria je predpokladaná modelom, ktorý môže vyriešiť problémy nevysvetliteľné dnešnou relativistickou a kvantovou fyzikou. Vďaka nej by sme vedeli napríklad presnejšie opísať vesmír,“ predstavuje Marek koncept.

„Avšak, aj keby sa super symetria potvrdila, pre bežného človeka by to v blízkej budúcnosti nemalo veľký význam,“ zhodnocujú chalani. Ich výskum znamenal najmä hľadanie informácií a odrážali sa od štúdie, ktorú dostali v zadaní súťaže. Radili sa s Borisom Tomášikom z Fakulty prírodných vied Univerzity Mateja Bela a Katedry fyziky na Fakulte jadrovej a fyzikálne inžinierskej na ČVUT, ktorý ich upozornil na niekoľko chýb a vysvetlil im súvisiace fyzikálne zákonitosti: „Veľmi mu vďačíme za pomoc, pretože aj keď je super symetria stále vo výskume, už teraz o nej existuje veľa materiálov. Vyznať sa v nich a porozumieť teórii je jedna vec, no predstaviť si ich využitie v praxi je vyšší level, ktorý chcú fyzici docieliť a my sme šli v ich stopách,“ zhodnú sa Martin s Marekom.

Aj napriek tomu, že sa táto práca pohybuje vo veľmi teoretickej rovine, výskum, ktorý podnikli, ich vedomostne posunul ďaleko dopredu: „S takmer ničím, čo sme vďaka tejto práci zistili, sme sa nikdy predtým nestretli. O veciach, ktoré sme len počuli, sme sa zrazu toho toľko dozvedeli, že nám to zlepšilo celkovú znalosť fyziky,“ tvrdí Martin a Marek dopĺňa: „oba projekty nás vykryštalizovali a sme si viac istý tým, čo nás baví a naopak, v čom sa nevidíme. Moje zameranie zatiaľ vidím na energetiku, konkrétne v štúdiu jadrovej fúzie na ČVUT v Prahe alebo vyskúšam inžinierstvo materiálov.“ Martin hovorí, že zvažuje štúdium elektrotechniky v podobe mechanického alebo elektrického inžinierstva.

Projekty prezentovali na viacerých súťažiach, avšak najviac im učaroval Festival vedy a techniky organizovaný Asociáciou pre mládež, vedu a techniku (AMAVET): „Mám veľmi rád podujatia AMAVET-u, pripomínajú mi skutočné vedecké konferencie. Na ostatných súťažiach prebieha prezentovanie zväčša obyčajne pri tabuli pred porotou, kdežto na Festivale vedy a techniky sa človek snaží zaujať a svoj projekt predať aj ostatným súťažiacim. Ľudia sú vždy moja obľúbená časť na týchto stretnutiach,“ s úsmevom tvrdí Marek.

Momentálne spolu zdokonaľujú svoju dekarbonizáciu na medzinárodnú súťaž EUCYS, ktorá sa uskutoční v septembri 2022. Okrem digitalizácie skúšajú stavať model z nových materiálov, ktoré nepodľahnú vysokým teplotám pri horení. S projektom zažili už niekoľko úspechov, avšak, sami tvrdia, že nie sú jediní, ktorí sa na nich pričinil: „Chceme poďakovať našej škole a všetkým, ktorí nám umožnili projekty realizovať. Tiež sme si vďaka nim uvedomili, že nie sme na všetko sami a v okolí každého z nás sa nachádza veľa talentovaných ľudí. Stačí sa opýtať a určite sa nájde niekto, kto ochotne pomôže. Netreba si nechávať celú zodpovednosť na seba a je dôležité si dať poradiť,“ uzatvárajú spoločne.

Prehľad úspechov Martina Pecka a Mareka Červeňa v súťažiach

*Anglický variant názvu v inej súťaži pre projekt „Dekarbonizácia emisných plynov vstrekovaním hydroxidu sodného“.