Το νερό που μπορεί να ξεκινήσει μία …πυρκαγιά

Πειραμα στον Διεθνη Διαστημικο Σταθμο

Με μια μορφή νερού που μπορεί να κάψει, σαν φωτιά, οργανικά υλικά, πειραματίζονται οι αστροναύτες στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό, τους τελευταίους έξι μήνες. Τα αποτελέσματα των δοκιμών τους αναμένεται να βρουν εφαρμογές στη Γη. Ήδη, η συγκεκριμένη μορφή νερού έχει αρχίσει να χρησιμοποιείται για την επεξεργασία αποβλήτων.

Όλοι γνωρίζουμε ότι το 70% του σώματός μας αποτελείται από νερό. Ότι είναι αναγκαίο, σχεδόν όσο και το οξυγόνο, για την επιβίωσή μας και ότι οι ευεργετικές του ιδιότητες είναι αμέτρητες. Όσοι πρόσεχαν λίγο περισσότερο στο σχολείο, ίσως, θυμούνται τα σημεία βρασμού και τήξης ή στους πόσους βαθμούς Κελσίου παγώνει. Τις τρεις μορφές του: υγρό, αέριο, στερεό.

Συνήθως, στην υγρή μορφή του χρησιμοποιείται για να σβήνουμε πυρκαγιές, αλλά, όπως φαίνεται, υπάρχει μία ακόμα κατάστασή του που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το ακριβώς αντίθετο. Αντί να σταματά τη φωτιά, το νερό σε αυτή την κατάσταση, που ονομάζεται υπερκρίσιμο νερό, καίει την οργανική ύλη γύρω του. Και για αυτό τον λόγο βρίσκεται στο επίκεντρο του επιστημονικού ενδιαφέροντος.

Για να φτάσει στη συγκεκριμένη κατάσταση, το νερό χρειάζεται να θερμανθεί σε θερμοκρασία πάνω από 373 βαθμούς Κελσίου και να συμπιεστεί σε πίεση 217 ατμοσφαιρών. Πάνω από το κρίσιμο σημείο, μεταμορφώνεται σε κάτι που δεν είναι ούτε υγρό, ούτε αέριο, ούτε στερεό. Αυτό είναι το υπερκρίσιμο νερό. Κάτι σαν αέριο που μοιάζει με υγρό, σύμφωνα με τη NASA.

 

Εικόνες διαλύματος νερού-άλατος σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Όσο αυξάνεται η θερμοκρασία και η πίεση, η διάκριση μεταξύ της υγρής και της αέριας κατάστασης του νερού γίνεται πιο δύσκολη. Ξεπερνώντας το κρίσιμο σημείο, η μαύρη γραμμή που χωρίζει τις φάσεις εξαφανίζεται. (Credit: NASA)

 

Όταν το υπερκρίσιμο νερό έρθει σε επαφή με οργανική ύλη, συντελείται μία χημική αντίδραση, μία καύση χωρίς φλόγες: η οξείδωση. Γιατί, όμως, μας ενδιαφέρει αυτό; Και μάλιστα, σε σημείο που, από τον Ιούλιο του 2013, οι αστροναύτες του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού, υπό την αιγίδα της NASA και της CNES (γαλλική διαστημική υπηρεσία), διεξάγουν σχετικά πειράματα που θα συνεχιστούν για άλλους 6 μήνες;

Οι εφαρμογές της οξείδωσης με υπερκρίσιμο νερό

Πολύ απλά, επειδή αυτή η ιδιότητα του υπερκρίσιμου νερού μας βοηθά να απαλλαγούμε από την παρουσία δυσάρεστων λυμάτων. “Αν πιέσουμε ένα υγρό ρεύμα αποβλήτων πάνω από το κρίσιμο σημείο, το υπερκρίσιμο νερό σπάει τους δεσμούς των υδρογονανθράκων, επιτρέποντάς τους να αντιδράσουν με το οξυγόνο”, εξηγεί ο ερευνητής της NASA, Mike Hicks.

Με άλλα λόγια, όταν μετατρέψουμε το νερό στα υγρά απόβλητα (π.χ. λύματα αποχέτευσης ή γεωργικά απόβλητα) σε υπερκρίσιμο νερό, μπορούμε να κάψουμε, όλα τα οργανικά υλικά που περιέχουν, χωρίς να παράγονται ορατές φλόγες. H διαδικασία ονομάζεται Τεχνολογία Οξείδωσης με Υπερκρίσιμο Νερό (SCWO).

 

Σύστημα για οξείδωση με υπερκρίσιμο νερό, κατασκευασμένο από την General Atomics), που χρησιμοποιεί ο αμερικανικός στρατός (Πηγή: ga.com)

 

Πρόκειται για μία καθαρή μορφή καύσης, σε σχέση π.χ. με την αποτέφρωση, αφού παράγει μόνο νερό και διοξείδιο του άνθρακα, χωρίς κανένα από τα τοξικά προϊόντα της φωτιάς. Υπάρχει, όμως, ένα μεγάλο πρόβλημα. Τα άλατα στο υπερκρίσιμο νερό δεν διαλύονται, αλλά χωρίζονται από το νερό και αποκολλούνται σε άλλες επιφάνειες, όπως σωλήνες και τοιχώματα. 

Το αποτέλεσμα είναι να εκτοξεύεται το κόστος συντήρησης των αντιδραστήρων στα συστήματα εκμετάλλευσης του υπερκρίσιμου νερού. Σε αυτό το πρόβλημα, το οποίο εμποδίζει την εφαρμογή της τεχνολογίας SCWO σε μεγαλύτερη κλίμακα, ευελπιστούν να δώσουν λύση οι ερευνητές της NASA και της CNES με τα πειράματά τους.

Η σημασία των αποτελεσμάτων της έρευνας

Η έρευνα γίνεται στη Συσκευή για τη Μελέτη Κρίσιμων Υγρών και Κρυσταλλώσεων (DECLIC), η οποία είναι εγκατεστημένη στην Kibo, τη γιαπωνέζικη μονάδα του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού. Χωρίς τις επιδράσεις της βαρύτητας, θα παρατηρηθεί καλύτερα η καθίζηση και θα απαντηθούν ερωτήματα, όπως σε ποιο σημείο ακριβώς χωρίζονται τα σωματίδια του άλατος από το νερό.

 

Η Συσκευή για τη Μελέτη Κρίσιμων Υγρών και Κρυσταλλώσεων (δεξιά) αποτελείται από δύο ορθογώνια κουτιά. Στο πάνω πλαίσιο, βρίσκονται τα διαγνωστικά εργαλεία (αριστερά). Στο κάτω, αποθηκεύονται τα δεδομένα και από εκεί δίνονται οι εντολές. (Credit: NASA/CNES)

 

Τα αποτελέσματα της έρευνας αναμένεται να βοηθήσουν στον σχεδιασμό συστημάτων που θέλουν να εκμεταλλευτούν την τεχνολογία οξείδωσης με υπερκρίσιμο νερό, όπως μονάδες παραγωγής ενέργειας και διαχείρισης αποβλήτων, τα οποία θα έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και πιο χαμηλό κόστος συντήρησης.

Υλικά σε υπερκρίσιμη κατάσταση χρησιμοποιούνται εδώ και χρόνια. Για παράδειγμα, στο στεγνό καθάρισμα και στην αποκαφεϊνοποίηση του καφέ χρησιμοποιείται το υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα. Το αμερικανικό ναυτικό, ο αμερικάνικος στρατός και η πόλη του Ορλάντο, στις ΗΠΑ, έχουν ξεκινήσει να χρησιμοποιούν τεχνολογία με υπερκρίσιμο νερό για την επεξεργασία των αποβλήτων τους.