Zamislite ovo: stanete s kamp-kućicom na neko lijepo mjesto, priključite cijev na hladnjak automobila s kojim ste je dovukli, pa se onda toplom vodom iz hladnjaka tuširate cijeli dan, a još vam ostane tople vode i za pranje posuđa. Teško moguće, zapravo nemoguće… Pa ipak je moguće zahvaljujući novom kompozitnom materijalu što su ga napravili američki znanstvenici, ili – točnije – strani znanstvenici na radu u Sjedinjenim Državama.
Koliko se u nekoj tvari može pohraniti topline ovisi, zna se, o njezinom specifičnom toplinskom kapacitetu. Najveći toplinski kapacitet ima voda, 4,181 J g-1 K-1 ili 4,181 kJ kg-1 K-1 (ili, u starim jedinicama, 1 cal g-1 K-1 ili 1 kcal kg-1 K-1). To znači da za grijanje jednog kilograma (ili litre) vode za jedan kelvin ili oC treba utrošti 4,181 kJ ili 1 kcal toplinske energije – i isto je se toliko može dobiti hlađenjem. Druge tvari daleko zaostaju za vodom, pa se stoga voda gdje god se može koristi za grijanje i hlađenje. I, eto, znanstvenici su napravili tvar koja može uskladištiti 1,6 kJ topline po gramu, ili 1,6 MJ (0,44 kWh) po kilogramu, što znači da kilogram te tvari može zagrijati 7,7 litara vode za 50 ili 9,6 litara vode za 40 stupnjeva Celzijusa. Kako je to moguće?
Odgovor leži u naslovu njihovog rada, objavljenog u časopisu Matter: „Overcoming thermal energy storage density limits by liquid water recharge in zeolite-polymer composites“. Iz njega je jasno da je riječ o kompozitnom materijalu, materijalu koji se sastoji – čita se u radu – od vode, zeolita i umjetnog polimera, poli(vinil-alkohola), PVA. U njemu se iskorištava toplinski kapacitet vode, ali i jedinstvena svojstva zeolita.
Zeoliti su odavno poznati geolozima: to su alumosilikati (slični mineralima gline) koji sadržavaju kristalnu vodu. Ima ih mnogo vrsta (natrolit, hojlandit, mezolit, kabazit… ) i pojavnih oblika, no ono što ih izdvaja od drugih kako silikatnih tako i nesilikatnih minerala je da u sebi imaju šupljine, da im je struktura rahla, nalik spužvi. U šupljine među atomima ulaze molekule vode i ioni, a često i molekule organskih spojeva pa su stoga zeoliti jako dobra adsorpcijska sredstva. Molekule vode se za njih vežu vodikovim vezama, a kako su molekule H2O i inače (u vodi i ledu) povezane takvim vezama, povećava se toplinski kapacitet zeolita, ali i vode, jer kako se iz rečenog može zaključiti voda ima izuzetno velik toplinski kapacitet upravo zbog vodikovih veza među svojim molekulama.
No, voda hoće curiti, hoće isparavati, pa i onda kada se nalazi u šupljinama zeolita. I tu na scenu stupa polimer (PVA) koji povezuje čestice zeolita (SAPO-34). Usto što sprječava sušenje, polimer daje čvrstoću materijalu, koji bi se bez njega rasuo u prah. Da bi naš opis doveli do kraja, treba reći i to da su „čestice“ zeolita zapravo kockice ne veće od stotinke milimetra (1-10 μm). Zahvaljujući s jedne strane vezanju za zeolit, a s druge zatvorenosti u polimernu „posudicu“, novi se materijal (PVA-L15) može zagrijati na 150 oC, a da voda u njemu ne provrije.
Ali to nije jedino povoljno svojstvo novog materijala. On je prije svega jeftin jer su jeftine sirovine (PVA i zeolit) za njegovu proizvodnju, pa može pronaći najširu primjenu. Usto je trajan jer ni nakon stotinu ciklusa grijanja i hlađenja nije uočen pad toplinskog kapaciteta. Dobro je i što se brzo hladi (otpušta toplinu) i rashladi, za manje od 100 sekundi. To znači da se njime može brzo zagrijavati, što nije slučaj s drugim termoakumulacijskim materijalima, poput cigle ili betona. Sve u svemu, materijal za skladištenje topline kakav se samo poželjeti može.
Kad sam spomenuo grijanje vode za kampiranje, mislio sam samo na primjenu koja je čitatelju najbliža. No, mogućih primjena ima bezbroj, a najvažnija bi bila skladištenje Sunčeve energije. Umjesto grijanja vode, taljenja parafina ili smjese soli (kako se to danas čini) grijao bi se kompozit PVA-L15. Od njega bi se također mogli izrađivati vanjski zidovi kuće da bi akumulirali Sunčevu toplinu preko dana. Topline ima mnogo, posebice otpadne topline, topline koja nastaje pri proizvodnji električne energije (u nuklearnim elektranama i termoelektanama), u tvornicama koje proizvode i prerađuju metale (željezo, aluminij) i pri mnogim drugim tehnološkim procesima. Topline ima na pretek, no problem je u njezinom transportu, a još više u skladištenju jer proizvodnja nikad nije jednaka trenutnoj potrošnji. I eto rješenja, koje se može napisati kemijski jednostavno: polimer + voda + zeolit = termokompozit.
Nenad Raos je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, koji je radio do umirovljenja 2016. godine u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI). Autor je i koautor oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske (računalne) kemije, kemije kompleksnih spojeva, bioanorganske kemije, povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik Prirode te urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji; član je društva ProGeo-Hrvatska i Odjela za prirodoslovlje i matematiku Matice hrvatske. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Autor je 16 znanstveno-popularnih knjiga, posljednje dvije su „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“ i „Antologija hrvatske popularizacije prirodnih znanosti“.