Bez čpavku by neexistovala moderní civilizace. Je klíčový v dusíkatých hnojivech pro moderní zemědělství, bez něj by se nedalo nasytit lidstvo. Teď skupina vědců z prestižní americké univerzity MIT vymyslela způsob, jak ho vyrábět bez elektřiny a mnohem ekologičtěji.
Když se řekne čpavek, asi se většině lidí vybaví jen cosi, co nevábně čpí. Jenže tento bezbarvý štiplavý plyn, zvaný též amoniak, je zcela klíčový pro přežití lidstva v jeho současné podobě: právě on je totiž základní složkou dusíkatých hnojiv, bez nichž by lidé zkrátka neměli co jíst.
Jenže výroba čpavku je náročná: nikoliv chemicky, ale energeticky. Proces, jak ho získat ze vzduchu, vymyslel před sto lety německý chemik Fritz Haber, který za to získal Nobelovu cenu.
Fritz Haber byl nejen geniální chemik, ale také válečný zločinec, který pro Německo za první světové války vyvíjel látky, které se využívaly jako chemické zbraně. Právě proto si nemohl roku 1918 ani osobně převzít Nobelovu cenu.
Ve dvacátých letech dvacátého století vyvinul levnou výrobu látky k hubení hmyzu a dalších škůdců; chtěl, aby se jí čistily kasárny. Nacisté prostředek prodávaný pod komerčním názvem Cyklon B využili za druhé světové války v koncentračních táborech při holocaustu.
Paradoxem je, že samotný Haber byl židovského původu, Cyklon B zabil i řadu jeho příbuzných. On sám Německo opustil roku 1933 na protest proti rasovým zákonům; zemřel o rok později ve Švýcarsku.
Od té doby se tato metoda nazývaná Haberova-Boschova syntéza používá v prakticky nezměněné formě po celém světě. A velmi masivně: podle odhadů se podílí asi dvěma procenty na celosvětové spotřebě energie. Přes řadu úspor se s tím nedá příliš dělat: proces musí probíhat v reaktorech za vysokého tlaku a teploty a bývá tedy nutně energeticky velmi náročný. Jenže nyní skupina chemiků možná našla řešení: nechat proces provést samotnou Zemí.
Cesta do středu Země
Ve studii, která vyšla 21. ledna v odborném časopisu Joule, chemici novému přístupu říkají pracovně „Továrna Země“ a tvrdí, že nepotřebuje ani příkon energie, ale dokonce při něm ani nevznikají emise skleníkových plynů, což je další problém spojený s tradiční výrobou. Na každou vyprodukovanou tunu amoniaku se totiž do atmosféry uvolňuje přibližně 2,4 tuny oxidu uhličitého.
Vědci věří, že tato nová cesta může vést k mnohem udržitelnější alternativě k současným metodám. A není ani omezená množstvím zdrojů: autoři spočítali, že bez problému by mohli vyrobit dost čpavku na další 2,42 milionu roků.
Veřejnost mnohdy zajímá, k čemu je základní výzkum, například když specialisté zkoumají nějaký jev, který vypadá jako komická kuriozita – a věnují na jeho popis velké množství mnohdy veřejných financí. Stejně začal i tento objev. V osmdesátých letech dvacátého století narazili geologové v západoafrickém Mali na studnu, ze které proudil plynný vodík. Ukázalo se, že nešlo o nějakou kavernu, kde by byl uvězněný, ale přímo pod zemí rovnou vznikal pomocí chemické reakce.
„Byl to pro nás ‚heuréka‘ moment,“ popsal vedoucí autor Iwnetim Abate z Massachusettského technologického institutu (MIT). „Pochopili jsme, že bychom mohli být schopní využít samotnou Zemi jako továrnu a použít její teplo a tlak k výrobě důležitých chemických látek, jako je čpavek, mnohem čistějším způsobem.“
Napodobit přírodu
Aby otestovali svůj nápad „Továrny Země“, Abate a jeho tým postavili systém napodobující podpovrchové prostředí Země. Vystavili syntetické minerály bohaté na železo vodě s dusíkem, čímž spustili chemickou reakci, která oxidovala horninu a poskytla jako „odpadní produkt“ čpavek ve formě, kterou chemici označují jako „geologický čpavek“. Proces nevyžadoval žádný příkon energie, nevypouštěl žádný CO2 a fungoval i v běžných podmínkách.
V druhé fázi tým vyměnil syntetický minerál za olivín, přírodní horninu s obsahem železa, aby lépe napodobil reálné scénáře. Proces dále optimalizovali přidáním měděného katalyzátoru a zvýšením teploty na tři sta stupňů Celsia. Během 21 hodin vyrobili přibližně 1,8 kilogramu amoniaku na tunu olivínu, čímž prokázali proveditelnost a udržitelnost metody.
„Tyto horniny se nacházejí po celém světě, takže i tato metoda by mohla být velmi široce adaptována po celém světě,“ vysvětluje Abate. Ale přesto „je tu ještě celá další úroveň složitosti, kterou budeme muset zpracovat“.
„Haber-Boschův proces je dobrý. Funguje,“ podotýká vědec. „Bez něj bychom nyní nebyli schopni nakrmit dvě z celkových osmi miliard lidí na světě.“ Kvůli emisím a energetické náročnosti je ale podle něj zapotřebí lepšího postupu.
Nic není zdarma
To, že laboratorní pokus, byť v poměrně velkém měřítku, nevyžadoval energii, ještě neznamená, že zdarma bude i výroba v praxi. Realizace bude zahrnovat vrtání do hornin bohatých na železo hluboko v Zemi, vstřikování vody s dusíkem a pak i nutnost řešit složité modely – například to, jak horniny praskají, rozpínají se a jak interagují s plyny a kapalinami. Abate ale věří, že tohle všechno se podaří vyřešit. A věří tomu natolik, že si svou akademickou kariéru rozšířil o byznysovou: spoluzaložil společnost Addis Energy, která by měla do roku 2026 dodat první výsledky.
Že šel do rizika investování, podle něj způsobilo hlavně to, jak povzbudivě vyšel ekonomický výhled. Odhaduje totiž, že výroba geologického čpavku stojí přibližně 0,55 dolaru za kilogram, což je podobné jako u konvenčních metod, kde kilogram čpavku vychází na 0,40 až 0,80 dolaru. Jeho cena je ale zásadně ovlivněna pohyblivou cenou energií, což u Abateho metody odpadá. Vědec uvádí na konec ještě jeden silný argument, proč by jeho projekt měl získat podporu, a tím je omezení znečištění.
„Zdroje dusíku se považují za významný zdroj znečištění odpadních vod a jejich odstraňování stojí peníze a energii,“ doplňuje ho spoluautor studie Yifan Gao, také z MIT. „My ale možná budeme schopni využít odpadní vodu k výrobě amoniaku. Je to strategie výhodná pro všechny.“ Integrace čištění odpadních vod s výrobou čpavku by prý mohla přinést dodatečný zisk 3,82 dolaru za kilogram čpavku.
„Amoniak je poměrně důležitý i pro vznik života,“ dodává zajímavost vedoucí autor Ju Li z MIT. Kromě mikrobů je totiž jediným dalším přirozeným způsobem vzniku amoniaku na Zemi úder blesku do plynného dusíku. „Proto je geologická produkce amoniaku docela zajímavá, když se zamyslíte nad tím, odkud se vlastně vzal život.“
