A TECHNOLÓGIA MÉRFÖLDKÖVEI KÉMIKUS SZEMMEL

1. A TECHNOLÓGIA MÉRFÖLDKÖVEI KÉMIKUS SZEMMEL A kiállítás az Amerikai Egyesült Államokban, az Amerikai Kémiai Társaság (ACS) által, Pavláth Attila professzor elnöksége idején, 2002-ben létrehozott Technological Milestones című elektronikus tárlat átdolgozott, magyar változata. Készült a Szegedi Tudományegyetem Fizikai Kémiai Tanszékén Rideg Nóra kémiatanár-vegyész szakos hallgató tanári szakdolgozatának részeként 2007-ben. Témavezető: Németh Veronika egyetemi tanársegéd

2. A TECHNOLÓGIA MÉRFÖLDKÖVEI KÉMIKUS SZEMMELI. ENERGIASZOLGÁLTATÁS A vegyészek és vegyészmérnökök számos találmánya és fejlesztése az energiaszolgáltatás és -szállítás területén lehetővé teszi számunkra azt, hogy képesek vagyunk nemcsak a Földön, hanem a világűrben is élni. A XIX. században az emberek otthonaikat fával vagy szénnel fűtötték, világításra petróleumlámpát vagy gyertyákat használtak, és vasúton, gőzhajókon utaztak, vagy lovon illetve gyalog közlekedtek. Mivel az elmúlt két évszázadban rendkívül megnőtt a népesség energiaigénye, a vegyészek és vegyészmérnökök új energiaforrásokat, folyékony üzemanyagokat, elemeket, akkumulátorokat és új típusú energiahasznosító technológiákat fejlesztettek ki. A kémia vívmányai forradalmasították a közlekedést: az autók, repülőgépek, az űrhajók és az utak építéséhez felhasznált, újonnan kifejlesztett, illetve a továbbfejlesztett szerkezeti anyagok révén. A természetes forrásból származó ércek és a kőolaj kitermelési technológiájának kidolgozásával, teljesen új anyagok kifejlesztésével a vegyészek és -mérnökök az emberiség számára egy teljesen újfajta életstílust tettek lehetővé. I.1. Energiaforrások Szén felhasználása energiaforrásként Kőolaj feltárása és kitermelése Nukleáris energia Alternatív energiaforrások I.2. Elektromos energia tárolása és a hordozható energiaforrások Egyszer használatos elemek Akkumulátorok és újratölthető elemek I.3. Utak és hidak alapanyagai Beton Aszfalt Fémek és ötvözeteik Karbantartási és javítási technológiák I.4. Petrolkémiai üzemanyagok Benzin előállítása nyersolajból Üzemanyag adalékok Gépkocsi katalizátorok I.5. Gépjárműipar Progresszív anyagok a tervezésért, a kényelemért és a biztonságért Műanyag alkatrészek Gumiabroncs-technológia I.6. Légi közlekedés Forrólevegős hőlégballonok Hélium Rakéta üzemanyagok Repülőgépek és rakéták szerkezeti anyagai

3. Kronológia 1882:A háztartásoknak az első széntüzelésű erőművek szolgáltatnak elektromos áramot. 1884: A német Gottlieb Daimler megépíti az első benzinnel működő, szikragyújtású, dugattyús motorral felszerelt autót. 1902:Aszfalt burkolatú utak építése. 1913:A szénhidrogének termikus krakkolásával(=a molekulák hő hatására történő láncszakadása) nő a kőolajból kinyerhető benzin mennyisége. 1921:Thomas Midgley Jr. ólom-tetraetilt alkalmaz kopogásgátló adalékanyagként gépjárművek üzemanyagában. 1936:A francia Eugene Houdry kidolgozza a kőolaj katalitikus krakkolásának eljárását nagy oktánszámú benzin előállítására. 1946:Az amerikai BF Goodrich cég kifejleszti az első tömlő nélküli gumiabroncsot. 1949:Kifejlesztik a miniatűr alkálielemet. 1954:Üzembe helyezik az első szilícium alapú napelemet. 1958:Bemutatkozik a Boeing 707, és megváltoztatja az egész légi közlekedést. 1970-es évekbenkifejlesztik az ólommentes benzint, és elkezdik betiltani az ólmozottat. 1975:Számos autótípusba katalizátort építenek be. 1980-1990-es évek:Elterjed a lítium-ionos akkumulátorok alkalmazása a mobiltelefonokban és a laptopokban. 1981: A Columbia Űrrepülő a világ első újrahasznosítható űrrepülője.

4. I.1. Energiaforrások Szén felhasználása energiaforrásként 1890-re az Egyesült Államokban a szén, mint legfőbb energiaforrás, felváltotta a fát. Az első szénnel fűtött erőmű 1882-ben épült: gőzt termelt és ezzel hajtotta meg a generátort, így állítva elő elektromosságot. 1884-ben Charles Parsons, ír mérnök kifejlesztette a sokkal hatékonyabb, nagy sebességű gőzturbinát. 1920-ra az erőművekben porrá tört szénnel növelték a hatásfokot, és csökkentették az égés levegőszükségletét. Az 1940-ben üzembe helyezett ciklonkemence működése lehetővé tette a gyengébb minőségű szén felhasználását, miközben üzemeltetése során kevesebb hamu képződött. A közelmúltban fejlesztették ki a szénpor elégetésén alapuló technológiát energia előállítására, és a környezet terhelésének csökkentésére. Charles Parsons Parsons gőzturbinája (1907)

5. I.1. Energiaforrások Kőolaj feltárása és kitermelése 1901-ben a hatalmas texasi Spindletop-i olajmező felfedezése, az automobilok megjelenése és elterjedése azt eredményezte, hogy már 1951-re a kőolaj vált a legfőbb energiaforrássá, megelőzve a szenet. Folyamatosan fejlődött a nyersolaj-finomítás eljárása, melynek során elválasztják egymástól, illetve átalakítják a nyersolaj egyes frakcióit, az atmoszférikus(=légköri nyomáson végzett) desztillációtól kezdve a vákuumdesztilláción(=csökkentett nyomáson végzett desztilláció), krakkoláson keresztül egyéb katalitikus eljárások alkalmazásáig. A nyersolaj kitermelése során a legegyszerűbb, elsődleges módszer olajkutak fúrása gyémánt fúrófejekkel. Másodlagos módszerek a fúrási iszap, illetve gáz (szén-dioxid), vagy különböző vegyszertartalmú vizek visszasajtolása a földkéregbe. Megvalósítható ma már a nyersolaj kinyerése olajpalából(=kőolajat tartalmazó agyagpala vagy márga) is.

6. I.1. Energiaforrások Nukleáris energia Az első nukleáris(=atomenergián alapuló) reaktort 1942-ben katonai célból hozták létre. A II. világháború után a nukleáris technikának a békés felhasználás irányába való elterelése magában foglalta a villamos energia fejlesztését, ami 1951-ben Eisenhower elnök Atom a Békéért elnevezésű programjával kezdődött. Ebben a programban a kémia fontosabb szerepet kapott, mint valaha bármiben is: gondoskodnia kellett a radioaktív bomlás mesterséges szabályozásáról, a neutronok áramlásának szabályozásáról az úgynevezett moderátorokkal, a kimerült nukleáris fűtőanyagok regenerálásáról(=újra felhasználhatóvá tétel), illetve a nukleáris hulladék ideiglenes és végleges tárolásáról, továbbá a lakossági sugárterhelés kockázatának minimalizálásáról.

7. I.1. Energiaforrások Alternatív energiaforrások Olyan alternatív megoldások alkalmazása az energia előállításában, mint pl. a szélenergia, a vízienergia és a geotermikus energia(=a Föld belsejéből a felszínre áramló hőenergia) hasznosítása, összességében az energia előállításnak néhány százalékát teszik ki, mégis fontos szerepet játszhatnak helyi szinten, mivel az energia előállításában a gazdaságosság mellett az elérhetőség is meghatározó lehet. A kémiai fejlesztések révén már felfedezték a napelemeket hő- és energiatermeléshez, a könnyű szénszál erősítésű szélkerekeket a szél hasznosítására, cementet és fémturbinát a vízerőművekben és rozsdamentes anyagokat a geotermikus források felhasználásánál. Az első szilícium alapú napelem (1954)

8. I.2. Elektromos energia tárolása és hordozható energiaforrások Egyszer használatos elemek A villamosenergia tárolását az olasz Alessandro Volta fejlesztette ki az 1700-as évek végén; ily módon a kémia hozzájárult az elemek, akkumulátorok kidolgozásához, és ezek segítségével az energia tárolhatóvá vált. Az 1890-es évi szén-cink szárazelem a korábbi Leclanché „nedves elem” elgondolására épült. A kereskedelem számára gyártották, mert a vaku működtetéséhez szükség volt rá. 1949-ben egy új lúgos vegyületet adtak a hagyományos elemekhez, amely megnövelte azok élettartamát és lehetővé tette a miniatürizálást. Ez az új alkálielem gyorsan elterjedt, mert nagyon praktikus volt hordozható elektronikus eszközökhöz és a fényképezőgépekhez. Az újabban kifejlesztett elemekben ezüst-oxidot, higany-oxidot vagy lítiumot használnak. Szén-cink szárazelem Újratölthető elemek

9. I.2. Elektromos energia tárolása és hordozható energiaforrások Akkumulátorok és újratölthető elemek Az elektromos energia előállítására szolgáló ólomakkumulátor (1859) egy korai példája volt annak, hogy hogyan lehet egy ellenőrzött kémiai reakción alapuló eszközt kereskedelmi célra alkalmazni. Fejlesztését 1881-ben kezdték meg, és még ma is folyamatos fejlesztés, modernizálás alatt áll. Az ólomakkumulátor fokozatosan a domináns akkuvá vált az autóknál és a teherautóknál. A nikkel-kadmium újratölthető akkut eredetileg 1899-ben készítették, de túl drága volt ahhoz, hogy a kereskedelemben versenyképes legyen. A legújabb fejlesztések a lítiumra összpontosítanak. Egy 1980-as évekbeli a lítium-ion elem használatára tett sikeres kísérlet után a lítium-ion elemek alkalmazása mindennapos a mobiltelefon- és laptop-akkumulátoroknál.

10. I.3. Utak és hidak alapanyagai Beton Az 1950-es években az Egyesült Államok területén folyó nagyszámú közúti építkezés minősége erősen függött a felhasznált beton minőségétől. Az építkezéseken felhasznált cementet először 1824-ben állították elő. A vasbeton ősét 1867-ben szabadalmaztatta egy francia ezermester, Joseph Monier, virágedények készítésére. A vasbeton lassú megszilárdulása során egy komplex kémiai reakció játszódik le, mely során a folyékony anyag megtölti a durva és finom méretű részek, illetve az erősítő szálak közötti üres térrészeket. A vasbeton tartóssága és erőssége függ a cement gondosan ellenőrzött előállítási folyamatától és a különböző adalékanyagoktól, amiket a betonkeverékhez adnak, hogy csökkentsék a zsugorodás mértékét, és savállóvá tegyék a betont.

11. I.3. Utak és hidak alapanyagai Aszfalt Gazdaságossága és kedvező tulajdonságai miatt az aszfalt manapság egy népszerű útépítési anyag. A természetes eredetű aszfaltot 1595-ben fedezték fel, és 1902-ig használták az utak burkolására. A bitumen annak a feldolgozási folyamatnak a szilárd és félszilárd maradéka, amely során benzint állítanak elő kőolajból. Gyorsan helyettesítette az aszfaltot a burkolásban. Manapság különböző szintetikus polimerekkel javítják a tartósságát és terhelhetőségét. A kiváló minőségű aszfalt ellenáll az időjárási viszonyoknak és az erős terhelésnek.

12. I.3. Utak és hidak alapanyagai Fémek és ötvözetek Az elsődleges hídépítési anyaggá az acél vált kis súlya, erőssége, ellenállósága, könnyű kezelhetősége és alacsony szerelési költségei miatt, valamint amiatt, hogy ellenálló a természeti katasztrófákkal (pl. földrengés) szemben. Új, kiváló minőségű acélokat vezettek be az 1990-es években, melyek rozsdamentesek és rendkívül erősek. A hídépítésnél egy másik technológia, a galvanizálás az acél védelmére szolgál. Ekkor alumíniumot vagy cinket visznek fel a megtisztított acél felületére, melyen így egy ellenálló bevonat képződik, ami 30 évre szóló védelmet biztosít.

13. I.3. Utak és hidak alapanyagai Karbantartási és javítási technológiák Az úthálózatnak minden időjárási körülmény között, jelentős kopás nélkül meg kell maradnia hosszabb időtartamra. Az építési és karbantartási anyagok körében zajló fejlesztések lehetővé teszik a hosszabb időintervallumot a javítási munkálatok között. A cement, az aszfalt és az acél fontosak az utak élettartamának meghosszabbításában. Más vegyi anyagok és polimerek kötő- és adalékanyagként használatosak. Feladatuk, hogy javítsák az aszfaltutak minőségét. Például Európában a sztirol-butadién-sztirol kopolimer alkalmazásával egyre kevesebb kátyú és repedés képződik.

14. I.4. Petrolkémiai üzemanyagok Benzin előállítása nyersolajból A benzin kőolajból történő kinyerésének hatásfok-növelése érdekében kezdetben a nehéz olajfrakciókat a termikus krakkolás eljárásának vetették alá. Az eljárás során a nehéz olajfrakciókban található nagy szénatomszámú molekulák a magas hőmérséklet hatására kisebb szénatomszámú molekulákra szakadtak. A magas hőmérséklet azonban nemkívánt melléktermékeket is eredményezett. A melléktermék-képződés kiküszöbölésére 1936-ban Eugene Houdry kidolgozott egy eljárást, melynek lényege a következő volt: a krakkolási folyamatot alacsonyabb hőmérsékleten, egy inert(=kémiailag közömbös) anyag - ún. katalizátor - jelenlétében játszatták le. Ezt a folyamatot katalitikus krakkolásnak nevezzük. Eugene Houdry és a katalitikus krakkolás konverterének modellje

15. I.4. Petrolkémiai üzemanyagok Üzemanyag adalékok A régebbi motorok „kopogtak”, ha rossz minőségű benzint használtak. 1921-ben ólom-tetraetilt adtak a benzinhez, hogy a motor simábban és csendesebben járjon. 1926-ban bevezették az oktánszámot, a benzin kompressziótűrésének(=a benzin gőze jól tűri az összenyomást, nem robban föl idő előtt) jellemzésére. A későbbi évtizedekben fény derült az ólom-tetraetil környezetszennyező voltára, ezért az 1970-es évektől elkezdik betiltani az ólmozott benzint. Manapság oxigéntartalmú adalékanyagokkal (alkoholok, éterek) növelik a motor oktánszámát, mert ezek javítják a motor teljesítményét, csökkentik a motor súrlódását, és meghosszabbítják a motor élettartamát. Idényjellegű kémiai adalékanyagokat is használnak néhány területen, mint pl. a metanol, ami megakadályozza az üzemanyag-vezetékek fagyását. Thomas Midgley Jr. ólom-tetraetilt alkalmaz kopogásgátló adalékanyagként gépjárművek üzemanyagában (1921)

16. I.4. Petrolkémiai üzemanyagok Gépkocsi katalizátorok A „két utas” katalizátorokat 1975-ben vezették be a gépkocsik szén-monoxid- és szénhidrogén-kibocsátásának szabályozására. Hamarosan egy harmadik „utat” adtak a „két utas” katalizátorhoz, hogy csökkentsék a nitrogén-oxidok mennyiségét a kipufogógázban. A katalizátorok működése során több lépésből álló kémiai reakció játszódik le, amit maga a fém, legtöbbször platina, katalizál. A katalizátorban lejátszódó kémiai reakciók során a nitrogén-oxidok nitrogénné és oxigénné, a szén-monoxid szén-dioxiddá, míg az el nem égett szénhidrogén vízzé és szén-dioxiddá alakul át. „Háromutas” katalizátor

17. I.5. Gépjárműipar Progresszív anyagok a tervezésért, a kényelemért és a biztonságért A XXI. század autója már nemigen hasonlít korábbi elődeire sem külső megjelenésében, sem az általa nyújtott kényelemben és utasbiztonságban. Nagy teljesítményű fényszórók maximális éjszakai világítást biztosítanak. A rozsdásodást speciális anyagokkal, bevonatokkal drasztikusan csökkentik. Vegyi hűtőfolyadék kering egy zárt környezetű rendszerben. Az autók biztonsági üvegét 1914-ben vezették be. Ma speciális polimerréteggel vonják be az üveget, hogy csökkentsék a súlyt, a külső zajokat, illetve, hogy védelmet nyújtson a tűző napfénnyel és az ultraibolya sugárzással szemben. Számos biztonsági fejlesztés is történt pl. az erősítő polimer szálak a biztonsági övben vagy a légzsák használata.

18. I.5. Gépjárműipar Műanyag alkatrészek A kémiai fejlesztések eredményeképpen csökkentették az autók súlyát, áttértek a fémről a műanyagra, és kiváló minőségű anyagokat alkalmaztak. A II. világháború után az autógyártók elkezdtek kőolaj alapú szintetikus polimereket használni keménységük, tartósságuk és az időjárással szembeni ellenállóságuk miatt, ami a merev szerkezeti alkatrészekkel szemben követelmény. Az 1970-es évekbeli energiaválság után az üzemanyag-fogyasztás csökkentése érdekében könnyű anyagokat kerestek az autók fém-alkatrészeinek helyettesítésére. A formatervezési fejlesztések magukban foglalják a teljes karosszéria egyetlen öntőformában való gyártását, a hőre lágyuló lökhárítókat, a színtartó és UV-stabil polipropilén szálak kidolgozását, speciális festékeket, bevonatokat és ragasztóanyagokat. Polipropilén szálak

19. I.5. Gépjárműipar Gumiabroncs-technológia A természetes gumitermékek az 1800-as évek elején jelentek meg, de nem voltak praktikusak, mivel megpuhultak és szélsőséges időjárási körülmények között törékenyek voltak. Charles Goodyear amerikai feltaláló 1839-ben kifejlesztette a természetes gumi vulkanizálását, a telítetlen kötések elemi kénnel történő összekötését. Ezt az alapeljárást még ma is használják, kiegészítve kémiai gyorsítók és stabilizátorok hozzáadásával. 1945-re a szintetikus gumi kiszorította a piacról a természetes gumit, felhasználása ipari méreteket öltött. Mivel a gumiabroncs iránti igény növekedett, a tömör gumiabroncsok helyett tömlős gumit használtak. A gumi anyagát természetes vagy szintetikus szövet- és fémszálakkal és adalékanyagok (pl. elemi szén) hozzáadásával erősítettek meg, hogy a kopás mértékét csökkentsék, majd bevezették a tömlő nélküli gumiabroncsot.

20. I.6. Légi közlekedés Forrólevegős hőlégballonok 1783-tól kezdve, amikor nyílt tűzről felszálló forró levegővel meghajtott hőlégballonnal repült az első ember, a hőlégballonok területén forradalmi újítások történtek. A forró levegőt gyorsan felváltotta a könnyen ellenőrizhető hidrogén. Az 1960-as években csökkent az érdeklődés a hőlégballonok iránt, de később a hőlégballonozás népszerű sporttá vált, pl. az Egyesült Államokban. A kémia úgy járult hozzá e különleges sport sikeréhez, hogy modern anyagok kifejlesztésével biztosította a ballonok tartósságát, mert olcsó és hőálló anyagokat kezdtek felhasználni. A forró levegő előállítására folyékony propán-bután gázelegyet használnak.

21. I.6. Légi közlekedés Hélium A hidrogén töltetű ballonok, mint amilyen például a tragikus véget ért Hindenburg-léghajónak is volt (1937), a merev szerkezet és a hidrogén gyúlékonysága miatt nem voltak biztonságosak. 1905-ben két kémikus egy Kansas-i gázforrásban héliumot talált. Ebből a ritka anyagból hirtelen bőséges mennyiség állt rendelkezésre. Az I. világháború alatt a kémiai technológia segítségével nagy mennyiségű héliumot vontak ki a gázforrásokból, majd tárolták és szállították. A héliummal töltött kis felderítő léghajók a II. világháborúban biztonságosan kísértek seregszállító- és ellátó-hajókat, de még tengeralattjárókat is. Az 1950-es években a héliumot, mint hegesztőgázt hasznosították a rakéták építése során, illetve inert gázként a rakéta-hajtóanyag motorhoz való eljuttatásában. Hindenburg léghajó (1937)

22. I.6. Légi közlekedés Rakéta üzemanyagok Az 1920-as években tesztelt rakétáktól kezdve, az ’50-es években fellőtt kommunikációs műholdakon és a ’80-as években fejlesztett újrahasznosítható űrhajókon keresztül az ember világűrben történő terjeszkedéséig csodálatos technikai hőstettnek vagyunk tanúi. A sikeres űrutazás feltételei közé tartozik, hogy a rakéták hajtósebessége elég nagy legyen ahhoz, hogy az űrhajót átjuttassák a Föld gravitációs terén. Az első, 1926-ban fellőtt rakéta üzemanyaga folyékony benzin volt és az oxidáló anyagot is folyékony oxigéngáz formájában vitte magával. Később többféle üzemanyagot és oxidáló anyagot is teszteltek, folyékony és szilárd formában egyaránt. Az űrrepülőgépek folyékony hidrogént használnak üzemanyagként, de a kilövéskor használatos motorok szilárd hajtóanyagként alumíniumot, oxidálószerként pedig hordozóanyaggal elegyített ammónium-perklorátot használnak .

23. I.6. Légi közlekedés Repülőgép és rakéták szerkezeti anyagai Ahogy a repülőgépek tervezése a fáról és szövetről áttért az új típusú szerkezeti anyagokra, a kémiai technológiák olyan anyagokat kínáltak fel, amelyek találkoztak a tervezési igényekkel. Alumíniumot és titánt használva különböző fémötvözeteket fejlesztettek ki a repülőgépekhez, hogy erősek, könnyűek, hőállóak és rozsdamentesek legyenek. Az extrém működési körülmények miatt a rakétáknak speciális követelményei vannak a szerkezeti anyaggal szemben: pl. az űrhajót a visszatéréskor a magas hőmérséklettől egy speciális kerámiaburkolat védi, melyet cirkóniummal módosított szilícium-dioxid kompozitból(=összetett anyagok, amelyek két vagy több különböző szerkezetű, méretben elkülönülő anyagkombinációkból épülnek fel) készítenek. Boeing 707 (1958)