Nauka na UMCS

fot. pixabay

Projekt dotyka zagadnień związanych z ciągłym wzrostem zapotrzebowania na energię oraz globalnym ociepleniem, a więc fundamentalnych problemów naszej cywilizacji. Obecnie ponad 80% światowej energii pochodzi z paliw kopalnych (ropy naftowej, węgla i gazu). Pomijając kwestie klimatyczne, ropy i gazu wystarczy nam na ok. 50 lat, a węgiel skończy się w przyszłym stuleciu. To powoduje, że rozwój alternatywnych, zrównoważonych i odnawialnych źródeł energii jawi się dość poważnym i pilnym wyzwaniem dla ludzkości. I tutaj na scenę wchodzi wodór, który może stanowić skuteczne rozwiązanie tych problemów. Pełny sukces technologii wodorowej wymaga jednak pokonania pewnych przeszkód, z których największa dotyczy efektywnego magazynowania i uwalniania tego paliwa. Jednym z obiecujących i intensywnie rozwijanych kierunków jest przechowywanie wodoru w stanie stałym. Można to osiągnąć poprzez adsorpcję cząsteczek wodoru na powierzchni danego materiału. Musi to być jednak materiał o odpowiednich właściwościach i parametrach, co nie jest łatwe do uzyskania. W tym kontekście szczególnie interesujące wydają się materiały dwuwymiarowe (2D) o niezwykłej stabilności chemicznej i dużej aktywnej powierzchni.

Projekt proponuje wykorzystanie materiału 2D – silicenu jako platformy nowej generacji do przechowywania wodoru w fazie stałej. Silicen to materiał zbudowany z pojedynczej warstwy atomów krzemu i często jest nazywany krzemowym odpowiednikiem grafenu. Ze względu na swoje właściwości elektronowe i strukturalne jest dość intensywnie badany w laboratoriach na całym świecie, również z sukcesami w mojej Katedrze Fizyki Powierzchni i Nanostruktur Instytutu Fizyki UMCS. Aby jednak myśleć o efektywnym wykorzystaniu silicenu do magazynowania wodoru, należy trochę poprawić jego charakterystyki związane z pojemnością wodorową oraz energetyką. Wstępne obliczenia teoretyczne sugerują, że jest to realne, a można tego dokonać poprzez odpowiednią
funkcjonalizację.

Wodór jest obecnie uznawany za paliwo przyszłości, ponieważ stanowi doskonałą alternatywę dla paliw kopalnych. Jakie jego właściwości na to wpływają? I czy w ogóle takie twierdzenie jest uzasadnione?

Pozyskiwanie energii z wodoru wydaje się być jednym z właściwych kierunków nieuchronnej transformacji energetycznej. W głównej mierze wynika to z wysokiej efektywności energetycznej wodoru, jego przyjazności dla środowiska oraz nietoksyczności. Wartość opałowa 1 kg wodoru wynosi ok. 33 kWh – prawie 3 razy więcej niż benzyny czy gazu ziemnego. Produktem spalania czystego wodoru jest wyłącznie woda, a nie dwutlenek węgla czy inne gazy cieplarniane, tak jak w przypadku paliw kopalnych. Nic więc dziwnego, że Komisja Europejska oficjalnie określa wodór jako paliwo mające „ogromny potencjał czystego i wydajnego zasilania w zastosowaniach stacjonarnych, przenośnych i transportowych”. Oczekuje się, że do roku 2050 wodór będzie odpowiedzialny za ponad 10% całkowitej energii na świecie.

Jest jeszcze jeden argument przemawiający na korzyść wodoru, mianowicie jego powszechna dostępność. To pierwiastek najbardziej rozpowszechniony we Wszechświecie, ale niestety, zwykle w postaci różnych związków chemicznych, z których trzeba go wyodrębnić.

Energia z wodoru może zostać wyprodukowana na dwa sposoby. Pierwszy, najbardziej opanowany technologicznie, to produkcja energii elektrycznej w ogniwie paliwowym na drodze reakcji utleniania wodoru. Energia ta może być następnie przekazana do silnika elektrycznego napędzającego pojazd. Tak na przykład działa jeżdżący w ostatnim czasie po ulicach Lublina autobus wodorowy, który odwiedził także nasz Uniwersytet. Drugim sposobem jest spalanie wodoru bezpośrednio w komorze silnika samochodu. Niestety, czas zapłonu wodoru jest zbyt krótki, aby silnik mógł pracować tylko na paliwie wodorowym. Dodaje się więc niewielką ilość typowego paliwa kopalnego, co sprawia, że cały proces nie jest do końca ekologiczny. Niemniej jednak emisja dwutlenku węgla jest dziesięciokrotnie niższa niż w przypadku spalania benzyny czy oleju napędowego. W moim odczuciu to właśnie ta technologia może zrewolucjonizować przemysł motoryzacyjny w najbliższych latach, gdyż, po niewielkich przeróbkach, można w niej wykorzystać w zasadzie każdy obecnie działający silnik spalinowy.

Wiemy już, czym charakteryzuje się wodór. Bezsprzecznie ma on wiele zalet, z których może skorzystać zwłaszcza branża transportowa. Ale musimy pamiętać także o tym, że to łatwopalny gaz, a jego przechowywanie wciąż stanowi problem. Co w tej kwestii może zmienić Pana projekt?

Chyba nawet nie trzeba przywoływać słynnej tragedii sterowca Hindenburg sprzed prawie stulecia, aby zdać sobie sprawę, że kwestie związane z bezpieczeństwem przy pracy z wodorem muszą być zawsze traktowane właściwie, poważnie i priorytetowo. Szczególnie istotne jest to w przypadku tradycyjnych metod przechowywania wodoru, które zwykle wymagają wysokich ciśnień, typowo 350 czy nawet 700 razy wyższych niż ciśnienie atmosferyczne. Nie ulega więc wątpliwości, że to kolejne wyzwanie stojące przed badaczami i inżynierami. Należy dodać, iż wodór jest gazem łatwopalnym i wybuchowym. Mieszanina powietrza i wodoru o koncentracji w zakresie od 4 do 75% może zostać łatwo zdetonowana zwykłą iskrą elektryczną czy nawet promieniami słońca.

Praktyczną alternatywą może być magazynowanie wodoru w postaci adsorbatu na powierzchni materiału. Zaadsorbowane cząsteczki wodoru przechowywane są pod niskim ciśnieniem w temperaturze pokojowej i na żądanie mogą zostać uwolnione poprzez dostarczenie niewielkiej energii. To jest właśnie to, czego dotyczy obecny projekt. Magazyny wodoru w fazie stałej dodatkowo charakteryzują się wysoką pojemnością, niską kosztochłonnością, wygodnym użytkowaniem i przede wszystkim wysokim bezpieczeństwem. Takie urządzenia, których działanie przypomina trochę wyświetlanie obrazu zapisanego na taśmie filmowej, czy odtwarzanie muzyki z płyty CD, zaczynają już wchodzić na rynek.

Jak będą wyglądały prace nad projektem? Kto będzie w nich uczestniczył?

Projekt łączy w sobie kompleksowe badania z wykorzystaniem wysoce zaawansowanych technik eksperymentalnych i teoretycznych. Będzie realizowany w Katedrze Fizyki Powierzchni i Nanostruktur UMCS, na wyposażeniu której znajduje się niezbędna nowoczesna aparatura, jak np. skaningowe mikroskopy tunelowe czy unikatowy w skali światowej mikroskop niskoenergetycznych elektronów. Wszystkie doświadczenia będą prowadzone w warunkach ultrawysokiej próżni. Aby uzyskać efekt synergii i precyzyjnie zrealizować szczegółowe cele projektu, na każdym etapie badań dane eksperymentalne będą korelowane z wynikami obliczeń teoretycznych. Takie podejście pozwoli także głębiej poznać fizykę badanych zjawisk i procesów.

Zaawansowana aparatura naukowa, która zostanie wykorzystana w projekcie, wymaga wysoce wykwalifikowanych specjalistów do jej obsługi. Niewątpliwie moi współpracownicy z Katedry są takimi osobami i to częściowo na nich będzie spoczywał ciężar prowadzonych badań doświadczalnych. Ja natomiast będę odpowiedzialny za wszystkie obliczenia teoretyczne, no i oczywiście za kierowanie zespołem, planowanie prac badawczych i ich koordynowanie. Ponieważ projekt jest dość skomplikowany, ambitny i czasochłonny, realizujący go zespół będzie musiał być powiększony o osoby z zewnątrz. W związku z tym planowane jest zatrudnienie postdoka, doktoranta oraz dwóch studentów. Jest to więc doskonała okazja dla tych, którzy planują karierę naukową, aby już na tak wczesnym etapie asystować przy zaawansowanych badaniach naukowych.

A kiedy możemy się spodziewać wprowadzenia projektu w życie? Gdzie będzie miał zastosowanie?

Narodowe Centrum Nauki jest instytucją, która finansuje badania podstawowe, czyli takie, których celem jest przede wszystkim zdobywanie wiedzy o podstawach zjawisk i procesów zachodzących w badanych układach bez nastawienia na bezpośrednie zastosowania praktyczne i komercyjne. Obecny projekt dokładnie wpisuje się w te założenia. To nie są badania aplikacyjne nakierowane na opracowanie nowych produktów. Oczywiście, aby myśleć o konkretnych zastosowaniach, należy najpierw poznać i zrozumieć fizykę ukrytą za badanymi zjawiskami. Temu właśnie poświęcony jest projekt, a jego celem jest określenie mechanizmów i warunków odpowiedzialnych za wydajne magazynowanie wodoru w układach opartych na silicenie. Nowatorskość projektu polega na synergicznym połączeniu funkcjonalizowanych materiałów 2D z wybranymi podłożami kryształów w zaawansowane struktury zorientowane na magazynowanie wodoru. Jego realizacja powinna zaowocować lepszym zrozumieniem procesów i zjawisk rządzących oddziaływaniem wodoru z funkcjonalizowanymi materiałami 2D oraz dostarczyć istotnych wskazówek do projektowania i budowy wydajnych platform do magazynowania wodoru opartych na silicenie. To są pierwsze kroki, które w dalszej perspektywie powinny przynieść realne zastosowania syntezowanych struktur. Śmiem twierdzić, trochę żartobliwie, że nie będzie to trwało tak długo, jak miało to miejsce w przypadku kompasu wynalezionego przez Chińczyków, ale, teraz już całkiem serio, sporo zagadnień inżynierskich, jak chociażby skalowalność układów, musi jeszcze zostać rozwiązana.

Na koniec proszę jeszcze opowiedzieć, czy trudno było uzyskać grant w wymienionym wyżej konkursie. Jakie możliwości zapewnia takie finansowanie?

Obawiam się, że nie da się jednoznacznie stwierdzić, czy było trudno otrzymać grant. Przede wszystkim trzeba mieć bardzo dobry pomysł na badania, po czym odpowiednio go opisać i uzasadnić, przygotowując wniosek konkursowy. Należy także zadbać o precyzyjny plan badań oraz rzetelny kosztorys. Możliwości, jakie zapewnia takie finansowanie, to w głównej mierze zakup lub wytworzenie aparatury naukowej oraz wynagrodzenia etatowe zatrudnionych z zewnątrz nowych członków zespołu badawczego. Pozostała część finansów może zostać przeznaczona m.in. na wyjazdy naukowe, udział w konferencjach czy opłaty publikacyjne.

Jeżeli mierzyć trudność uzyskania grantu nakładem pracy i czasu poświęconego na przygotowanie wniosku, to mogę powiedzieć, że nie było to jakieś ekstremalnie trudne wyzwanie. Oczywiście jest to tylko moja subiektywna ocena i być może wynika z faktu, że nie robiłem tego po raz pierwszy. Zapewne bardziej miarodajna jest ocena ekspercka wniosku i jej wynik na tle innych projektów. Złożone wnioski poddawane są najpierw ocenie formalnej, a następnie przechodzą ocenę merytoryczną, w której pod uwagę brana jest jakość naukowa projektu, jego wpływ na rozwój nauki, wykonalność, ale także kwalifikacje i osiągnięcia naukowe kierownika. Na zakończenie procedury ewaluacyjnej tworzona jest lista rankingowa projektów, na podstawie której można określić, jak silna była konkurencja. W tym miejscu chyba powinienem się pochwalić, że mój projekt zajął czwarte miejsce na 163 złożone wnioski w danym panelu. Łatwo też oszacować, że współczynnik sukcesu w obecnym konkursie wynosi ok. 13%. Niewiele. I muszę przyznać, że jest to coś, co mnie bardzo martwi. Z roku na rok ten współczynnik maleje, a więc formalnie coraz trudniej jest o pozytywne rozstrzygnięcie. Niewątpliwie związane jest to z sytuacją finansową Narodowego Centrum Nauki, a mówiąc szerzej – z finansowaniem nauki w Polsce w ogóle. Nie chcę rozwijać tego wątku, bo to temat na oddzielną rozmowę. Niech jednak da nam do myślenia fakt, że od wielu lat roczne nakłady na naukę w tym prawie 40-milionowym kraju są niższe niż budżet dobrego uniwersytetu w Stanach Zjednoczonych. Niemniej jednak uważam, że należy aplikować o granty, nawet jeśli szanse sukcesu są niewielkie, bo jedno jest pewne: nie uzyska się finansowania, jeśli nie złoży się wniosku.

Rozmawiała Magdalena Cichocka; fot. Bartosz Proll

źródło: Centrum Prasowe UMCS