Filozofia pojęć technicznych (119). Fotoreaktor


07-04-2018 20:00:45

Każdy z nas trzymał w ręku (a nawet stosował) fotoreaktor w postaci klasycznego aparatu fotograficznego. Zachodzi w nim reakcja fotochemiczna odkryta w XIII w. przez jednego z najwybitniejszych uczonych epoki, św. Alberta Wielkiego z Bawarii. Filozof i teolog, mentor św. Tomasza z Akwinu, prowadził badania botaniczne i chemiczne, w trakcie których zauważył, że związki srebra i azotu czernieją pod wpływem światła.

Nauka fotochemii w sensie ścisłym zaczęła się jednak dopiero na początku XIX w., kiedy Theodor Grotthus sformułował pierwsze prawo fotochemii głoszące, że przemianę fotochemiczną może zainicjować tylko absorpcja promieniowania. Badania kontynuował Amerykanin John Draper, ale już po zastosowaniach fotochemii praktycznej Louisa Jacquesa Daguerre'a, który dał początek technice fotograficznej. W fotochemii nauka z techniką od początku prowadziły dialog, a nawet swego rodzaju rywalizację. Dopiero jednak kiedy fotografia była już starą i bogatą sztuką, na początku XX w., Einstein i Planck dotarli do jej istoty, tzn. teoretycznie przewidzieli istnienie fotonu jako osobnej cząstki energii, a Albert Compton udowodnił doświadczalnie jego istnienie.

Nieco wcześniej Heinrich Hertz odkrył efekt fotoelektryczny, a Aleksander Stoletow go opisał, formułując tzw. pierwsze prawo fotoefektu. Obaj prowadzili badania nad elektrycznością, a Planck i Einstein – nad światłem. Trudno jednak arbitralnie wskazać, że jedni z nich są związani z fotografią klasyczną, inni zaś – z cyfrową (aparat cyfrowy jest też swoistym fotoreaktorem), bowiem zjawiska fotochemiczne i fotoelektryczne są ze sobą ściśle związane, z tym że fotoelektryczność w większym stopniu zależy od falowych właściwości światła. Foton jest tym, co łączy obie grupy zjawisk, będąc zarówno cząstką (bez masy i ładunku elektrycznego), jak i falą. Reakcja fotochemiczna pod jego wpływem następuje w trzech etapach: absorpcja fotonu i przejście układu do stanu wzbudzonego, pierwotne procesy fotochemiczne z udziałem cząsteczek pobudzonych elektronowo i procesy wtórne już bez udziału światła. Jest to schemat działania najpowszechniej występującego w przyrodzie reaktora – fotosyntezy roślin zielonych. Pełne wyjaśnienie tego procesu trwało od XVII w. aż do czasów współczesnych. Od niedawna trwają próby skonstruowania fotoreaktorów do różnych celów, a samo pojęcie, na razie rzadko stosowane, ma przed sobą wielką przyszłość.

Jest to głównie przyszłość ekologiczna; fotoreaktor może np. pracować jako pochłaniacz CO2 Dąży się do wyhodowania (także za pomocą inżynierii genetycznej) roślin zdolnych do niebywale wydajnej fotosyntezy, np. tzw. drzew tlenowych (oxytree) – na razie ich wynik to 111 t CO2 w ciągu roku z 1 ha, 10 razy więcej niż las dębowy. Fotoreaktor chemiczny może być jeszcze lepszy niż biologiczny, bo przetworzy CO2 od razu w użyteczną substancję, np. gaz palny albo nawóz sztuczny. Innym przykładem jest użycie materiałów o zdolnościach fotokatalitycznych, takich jak np. dwutlenek tytanu, który pod wpływem światła staje się silnym utleniaczem. Można uzyskać ogromne powierzchnie takiego katalizatora, gdyż działa on znakomicie po rozdrobnieniu do nanocząstek, nadając się do oczyszczania wody i innych płynów. Instytut Chemii Fizycznej PAN opracował mikrofotoreaktor, w którym na powierzchni rurek polimerowych osadzono metodą ultradźwiękową nanopowłokę z TiO2. Na powierzchni wielkości smartfona można umieścić kilkanaście takich urządzeń. Jest to znakomita oferta dla zamkniętych obiegów oczyszczających np. na jachtach czy statkach kosmicznych, mogą dostarczyć dziennie kilka litrów czystej wody, co więcej, tą metodą można syntetyzować niewielkie ilości bardzo trudnych do uzyskania substancji do farmaceutyków. Fotoreaktory będą coraz bardziej inspirujące, bo mają kapitalną zaletę: nie potrzebują wiele energii, a przecież ciągle chcemy tę energochłonność obniżać.

Zygmunt Jazukiewicz

Komentuje Waldemar Rukść: ASF

eNOT.pl - Portal Naczelnej Organizacji Technicznej | eNOT.pl