Rola tworzyw sztucznych w walce z globalnym ociepleniem

SHUTTERSTOCK

Nie ma już czasu na debaty, czas na działanie. Na szczęście pojawiają się różne rozwiązania, z których część opiera się na właściwościach polimerów.

Naukowcy są obecnie jednomyślni co do tego, że globalne ocieplenie jest w dużej mierze spowodowane przez człowieka. Od czasów pierwszej rewolucji przemysłowej stale zwiększamy emisję gazów cieplarnianych, takich jak metan i wiele innych, np. CO2. Gazy te zatrzymują się w atmosferze i tworzą barierę, która uniemożliwia prawidłową ucieczkę ciepła w przestrzeń. Planeta się nagrzewa, a klimat szaleje. Aby ochłodzić Ziemię, musimy zatem ułatwić ciepłu opuszczenie naszej atmosfery. Pierwsze rozwiązanie polega na emitowaniu mniejszej ilości CO2, drugie – na „pomaganiu” planecie w ochładzaniu się, a trzecie – na wychwytywaniu i eliminowaniu tego gazu.

tuał. Dziesiątki alpinistów rozwieszają ogromne białe „plandeki” z poliestru i polipropylenu – ultraodpornych polimerów – na różnych alpejskich lodowcach w Szwajcarii, gdzie zaczęto stosować ten sposób, ale także we Włoszech, Austrii, Francji i Niemczech. Pełnią one podwójną rolę: izolują warstwę śniegu od letnich upałów i poprawiają odbijanie promieni ultrafioletowych, aby zapobiec topnieniu lodu. Technika ta okazała się skuteczna, gdyż według różnych badań zmniejszyła lokalne roztopy śniegu o 50-70%. To dobrze, ale te same badania podkreślają, że liczba ta jest niewystarczająca w stosunku do ilości lodu, który topnieje każdego roku, zwłaszcza na biegunach. Topnienie lodu ma również wpływ na pływające góry lodowe i tzw. pak lodowy, a globalne

* Albedo to zdolność odbijania światła przez dany materiał lub powierzchnię. Wyraża się ją w procentach: 0% oznacza, że całe światło jest pochłaniane, a 100%, że całe światło jest odbijane. Jego wartość jest oznaczana liczbą z zakresu od 0 do 1. Średnie albedo naszej planety wynosi 0,3, ale występują duże różnice, np. śnieg ma średnią wartość 0,8, a oceany – 0,07. ocieplenie nie jest jedyną przyczyną ich topnienia. Lód staje się ciemniejszy z powodu osadów pozostawionych przez chmury sadzy, zwłaszcza z elektrowni węglowych. Powszechnie wiadomo, że ciemniejsze powierzchnie mają tendencję do pochłaniania ciepła, a nie jego rozpraszania, co przyczynia się do globalnego ocieplenia. Z drugiej strony, im jaśniejsza powierzchnia, tym więcej promieniowania słonecznego jest odbijane z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Zjawisko to znane jest jako efekt albedo. Naukowcy muszą uważnie obserwować to zjawisko. Kiedy topnieje pokrywa lodowa, odsłania ziemię lub oceany, które odbijają mniejszą część promieniowania słonecznego, a tym samym przyczyniają się do szybszego topnienia lodu. To prawdziwe błędne koło.

Efekt albedo to obiecująca droga dla geoinżynierii. Niektórzy badacze nie chcą się poddawać i proponują, aby pompować wodę morską i rozpylać ją na lód, gdy tylko temperatura zbliży się do 0°. Przypomina to trochę zasadę działania armatek śnieżnych w kurortach narciarskich. Nie jest to więc zbyt skomplikowane... z tym wyjątkiem, że w tym przypadku woda musi być najpierw odsolona, ponieważ, jak wiadomo, sól i lód nie mieszają się ze sobą. Jest to operacja wykonalna, ale wymaga dużo energii elektrycznej przy bardzo przeciętnej wydajności. Natomiast „ponowne oblodzenie” paku lodowego wymagałoby milionów m3 wody, a więc setek tysięcy kWh! Niemniej jednak nauka czyni postępy w dziedzinie membran przeznaczonych do filtrowania wody morskiej. Regulacja pokrywy lodowej za pomocą armatek śnieżnych może być możliwa, zwłaszcza dzięki połączeniu wysokiej jakości membran polimerowych i polimerowych ogniw fotowoltaicznych. Amerykańska firma NanoH2O opracowała nową polisulfonową membranę polimerową, której wielkość porów jest bardzo zbliżona do wielkości porów cząsteczki wody (około jednego nanometra). Gdy wielkość porów membrany odpowiada wielkości cząsteczek wody, te ostatnie łączą się ze sobą, tworząc rodzaj nici, co pozwala na przyspieszenie przepływu bez zwiększania ilości potrzebnej energii. Innymi słowy, nowe generacje membran pozwalają uzyskać znacznie wyższą wydajność. Technologię tę można by połączyć z technologią francuskiej firmy Mascara, która opracowała autonomiczną instalację odsalania wody, działającą w oparciu o polimerowe ogniwa fotowolta-

iczne. Pierwsze testy są bardzo obiecujące. Co prawda ta minifabryka została zainstalowana w Arabii Saudyjskiej, ale słońce jest obecne także na biegunach, zwłaszcza poza sezonem słonecznym, kiedy temperatury są już wystarczająco niskie, by można było używać armatek śnieżnych.

Inne firmy wpadły na pomysł zaprojektowania pływających paneli słonecznych. Panele fotowoltaiczne są montowane na modułowej ramie wykonanej z polietylenu o wysokiej gęstości (HDPE), którą można złożyć podobnie jak zestaw budowlany. Dzięki temu możliwe jest pokrycie mniej lub bardziej dużych powierzchni. Idea polega na instalowaniu ich przede wszystkim na sztucznych zbiornikach (zbiorniki irygacyjne, zbiorniki wody pitnej, akwakultury, jeziora kamieniołomów), tak aby nie zakłócać środowiska przyrody. Ich podstawową funkcją jest wytwarzanie ekologicznej energii elektrycznej, ale to tylko jeden aspekt ich działania. Albedo panelu słonecznego jest znacznie wyższe niż albedo zbiornika wodnego, który często jest prawie czarny. Jest to z pewnością tylko kropla w morzu, ale czyż nie z małych strumyków powstają wielkie rzeki? Pływające panele słoneczne zainstalowane na ramie również mają znaczący wpływ na odbijanie promieniowania słonecznego. Podsumowując kwestię efektu albedo, w badaniu przeprowadzonym w 2012 roku przez kanadyjski Uniwersytet Concordia oszacowano, że zwiększenie wartości albedo miast o 0,1 pozwoliłoby uniknąć emisji 130-150 miliardów ton CO2 przez 50 lat. To nie lada wyczyn, biorąc pod uwagę, że globalna emisja CO2 zbliża się do 40 miliardów ton rocznie. Stworzenie takiej prawdziwej osłony termicznej wymaga pomalowania dachu nie zwykłą farbą, lecz tzw. farbą termiczną. Zwiększając odbicie promieni słonecznych, farba termiczna zapobiega gromadzeniu się ciepła w budynkach w lecie, a tym samym ogranicza konieczność stosowania klimatyzacji. Farby lub folie poliolefinowe na bazie PVDF pozwalają uzyskać na dachach współczynnik albedo zbliżony do maksymalnego możliwego. Farby te są wzbogacone o polimery, takie jak opracowany przez firmę Arkema lateks z polifluorku winylidenu (PVDF). Polimer ten nadaje farbom niemal idealną biel i pozwala dachom uzyskać współczynnik albedo bliski 1. Taką powłokę można obecnie znaleźć na dachu kortu centralnego Wimbledonu, Pearl Tower w Szanghaju, Renaissance Center w Detroit oraz na wielu budynkach i drapaczach chmur na całym świecie. Inne firmy, takie jak port lotniczy w Amsterdamie, zdecydowały się na instalację folii z termoplastycznych poliolefin na wszystkich swoich dachach. Jest to materiał nadający się do recyklingu. Ponadto jest on bardzo odporny na działanie czynników chemicznych, takich jak parafina, która w postaci oparów jest często obecna na lotniskach. Podobnie jak w przypadku farb na bazie PVDF, ich biel pozwala na skuteczne odbijanie światła słonecznego.

Chłodzenie planety jest więc możliwe. Chociaż niektóre techniki opierają się na efekcie albedo, nie są one wystarczające, aby znacząco obniżyć średnią temperaturę. Dlatego właśnie wychwytywanie CO2, zarówno tego już obecnego w atmosferze, jak i wciąż emitowanego – na przykład z kominów fabrycznych – jest kolejną drogą poszukiwań inżynierów.

Zielone dachy bez wątpienia zyskują coraz większą popularność. Na papierze wydają się być panaceum. Nie bez powodu: po pierwsze, stanowią wyjątkowo skuteczną izolację termiczną dla budynków, które je posiadają, a także, wbrew pozorom, zwiększają ich wodoodporność. Odpowiadają one również politycznemu dążeniu do rekompensowania roślinnością każdego m2 nowo wybudowanej powierzchni betonowej lub asfaltowej. Zielony dach nie może naruszać struktury budynku. Dlatego gleba jest doskonale izolowana warstwą polimerów. Przede wszystkim zielone dachy pomagają ograniczyć emisję CO2, ponieważ rośliny pochłaniają ten gaz i wydzielają tlen. Jedyną ich wadą jest to, że nie można ich instalować na wszystkich budynkach. Nachylenie połaci nie może być

zbyt duże, a konstrukcja musi być solidna, ponieważ zielony dach sporo waży. Aby zazielenić dach, nie wystarczy wrzucić kilka łopat ziemi i czekać, aż natura zrobi swoje. Zanim będzie można zasadzić rośliny, trzeba odpowiednio odwodnić i zaizolować konstrukcję, a przede wszystkim uniemożliwić korzeniom jej uszkodzenie. Jest to więc prawdziwy techniczny sandwicz z polimerów, który układa się na elemencie nośnym, którym zazwyczaj jest płyta betonowa. Głównym powodem, dla którego tworzywa sztuczne są preferowane zamiast metali jest to, że są one znacznie lżejsze, niewrażliwe na utlenianie i wilgoć oraz uważane za najlepsze dostępne izolatory. Pierwszy krok polega na zainstalowaniu bariery przeciwwilgociowej. Jest to bardzo wytrzymała membrana, która w większości przypadków jest wykonana z polipropylenu i folii poliolefinowej, która zapobiega dyfuzji pary wodnej do wnętrza konstrukcji. Kolejnym elementem jest izolator. W zależności od projektanta zielonego dachu izolatorem może być polistyren ekspandowany lub ekstrudowany albo poliizocyjanurat, czyli pianka poliuretanowa wzbogacona cyjanuranem. Zaletą tej ostatniej jest wyjątkowa ognioodporność i sztywność. Materiał ten jest stosowany na przykład do izolowania zbiorników gazowców LNG. Następnie na wierzchu umieszcza się folię polietylenową, której zadaniem jest działanie jako bariera dla najtwardszych i najbardziej inwazyjnych korzeni. Na to nakłada się folię z monomeru etylenowo-propylenowodienowego (EPDM), elastomeru zapewniającego doskonałe uszczelnienie. Na koniec należy wspomnieć o plastikowych tackach, które są zazwyczaj wykonane z polimerów. Ich zadaniem jest przyjęcie substratu (lekkiej warstwy wierzchniej) i ustabilizowanie go, aby zapobiec spływaniu w przypadku ulewnego deszczu. Technika instalowania zielonych dachów ma niewiele wspólnego z techniką stosowaną w przypadku wewnętrznych lub zewnętrznych zielonych ścian. Ograniczenia nie są wcale takie same, ponieważ ich funkcje są różne. Zielona ściana to przede wszystkim pułapka na CO2; jej dodatkową funkcją jest to, że jest przyjemna dla oka. Również w tym przypadku polimery odgrywają ważną rolę, ponieważ substrat jest bezpośrednio mocowany do arkusza PVC, wodoodpornego materiału, który chroni ścianę. Zielona ściana, choć mniej skomplikowana niż dach, nadal musi być izolowana od elewacji. Dlatego projektanci zazwyczaj stosują arkusze PCW. Jeśli chodzi o podłoże, jest to tkanina filcowa stale nasączana substancjami odżywczymi, na której korzenie będą się szczepić i rozwijać. Jest to ta sama technika, którą stosuje się w hydroponice, zyskującej coraz większą popularność w miastach, gdzie wiele zaniedbanych budynków jest obecnie przerabianych na prawdziwe miejskie farmy. Skupiając się na już wyemitowanym CO2, wszystkie te techniki mają oczywiście pozytywny wpływ, ale jest on nadal niewystarczający. Sytuacja rozwija się dynamicznie, szczególnie w branży transportu lądowego, a wiele nowych firm próbuje opracować urządzenia zdolne do odsysania CO2. Do najbardziej zaawansowanych należy szwajcarska firma Climeworks, która od 2009 roku stara się wychwytywać CO2 z powietrza poprzez jego filtrowanie. Postawiła sobie za cel wychwytywanie 1% światowej emisji dwutlenku węgla do 2025 roku. To naprawdę już niebawem! Ich „maszyny” składają się z modułowych kolektorów CO₂, które można ustawiać jeden na drugim w zależności od pożądanej siły ssania, i są zasilane wyłącznie ekologicznymi źródłami energii, takimi jak energia słoneczna. Z teoretycznego punktu widzenia proces jest dość prosty. Kolektory wychwytują dwutlenek węgla, zatrzymując go w membranie wykonanej zwysoce selektywnego materiału filtracyjnego. Niewiele wiemy o dokładnym charakterze tego filtra, poza tym, że jest to innowacja polimerowa. Gdy filtr osiągnie nasycenie, kolektor jest zamykany, a cały zespół jest podgrzewany do temperatury od 80 do 100°C, aby uwolnić dwutlenek węgla. Czysty, wysoko skoncentrowany dwutlenek węgla jest następnie zbierany. Obecnie Climeworks posiada 17 działających lub będących w budowie zakładów w całej Europie, z których najbardziej zaawansowane to zakłady w Szwajcarii i Islandii. Po wydobyciu CO2 można go wtłoczyć głęboko do ziemi, gdzie z czasem ulegnie mineralizacji. Co więcej, można

SHUTTERSTOCK

go sprzedawać jako surowiec podmiotom przemysłowym, które go potrzebują. W tym zakresie została zawarta ważna umowa pomiędzy Climeworks a szwajcarską marką wody Valser, która obecnie wykorzystuje ten wysoko oczyszczony CO2 do gazowania swojej wody gazowanej. Ponowne wykorzystanie zebranego CO2 jest również bardzo aktualną kwestią i źródłem ciekawych inicjatyw, takich jak ta podjęta przez niemiecką firmę Covestro, która wychwytuje ten gaz i ponownie wprowadza go na przykład do pianki poliuretanowej. Climeworks ze swojej strony chce pójść jeszcze dalej i obecnie pracuje nad znalezieniem rozwiązań mających na celu całkowite wyeliminowanie dwutlenku węgla po jego odzyskaniu. Firma twierdzi, że jest bliska osiągnięcia tego celu i ma nadzieję, że w tym roku uda jej się wyeliminować kilka tysięcy ton. Wreszcie, wychodząc z założenia, że najlepszym sposobem walki z nadmiarem CO2 jest nieemitowanie go w ogóle, inne laboratoria poszukują sposobów jego wychwytywania w fazie po spaleniu spalin fabrycznych, tj. na wylocie z kominów. Metoda ta nosi nazwę sekwestracji. W rzeczywistości spaliny przechodzą przez bardzo wydajne filtry składające się z porowatej membrany zbudowanej z polimerów zdolnych do selekcji CO2 w mieszaninach gazów. Ponadto ciepło uwalniane przez spaliny wzmacnia procesy chemiczne zachodzące podczas sekwestracji. Technika ta, choć wciąż w fazie rozwoju, może być w przyszłości rozwiązaniem dla wszystkich pojazdów z silnikami spalinowymi. Chyba, że do tego czasu wszystkie będą elektryczne. Artykuł pochodzi z „Plastics the Mag”. R

GAMART S.A. is a European machine manufacturer for plastics processing industry, with R&D lying at the heart our company. Since 1996, we specialize in producing and modernizing extrusion lines as well as screw & barrel systems.