Choć obydwa gazy mają swój udział w zbrodniczym procederze, jakim jest coraz szybsze tempo efektu cieplarnianego, to jednak skala ich działania jest zupełnie odmienna.

Na początek małe wyjaśnienie: sam efekt cieplarniany jest nam potrzebny do przetrwania. Bez niego temperatura na Ziemi wynosiłaby ok. minus 15 stopni Celsjusza. Problem polega na tym, że z powodu rewolucji technologicznej i rozwoju przemysłu do atmosfery wyrzucanych jest coraz więcej gazów cieplarnianych. To powoduje, że rośnie temperatura naszego globu. I wciąż produkujemy za dużo podtlenku azotu. A jest on o wiele groźniejszy niż CO2. Bo sam z siebie dwutlenek węgla rozpada się po kilku latach, a podtlenek azotu potrzebuje na to ok. 150 lat. Poza tym, co być może nawet jest bardziej istotne, jego zdolność do pochłaniania ciepła jest ponad 300 razy większa od CO2. Czyli im go więcej w atmosferze, tym klimat Ziemi cieplejszy.

Kolejna znacząca różnica między podtlenkiem azotu a dwutlenkiem węgla polega na tym, że ten drugi jest wydzielany w bardzo dużej liczbie miejsc w stosunkowo małych ilościach. Są to np. piecyki domowe w Krakowie czy działające w większej skali elektrownie węglowe, wypalanie traw i lasów itp. Za to podtlenek azotu wydzielany jest w znacznie mniej rozproszony sposób: są to wielkie instalacje przemysłowe, głównie instalacje kwasu azotowego. Źródeł jest mniej, lecz skala możliwej emisji większa. Jak chociażby w Puławach, gdzie swoją siedzibę ma Instytut Nowych Syntez Chemicznych, jeszcze kilka lat temu zwany Instytutem Nawozów Sztucznych.

To właśnie tutaj opracowano wynalazek o nazwie „monolityczny układ katalityczny do rozkładu podtlenku azotu ze strumienia gazów odlotowych oraz sposób jego wytwarzania”. – Podtlenek azotu powstaje jako produkt uboczny przy wytwarzaniu kwasu azotowego, w Polsce ok. 16 tys. ton rocznie – tłumaczy doktor habilitowany inżynier Marcin Wilk, kierownik zespołu złożonego z naukowców INS oraz Uniwersytetu Jagiellońskiego, który tę innowację stworzył.

Naukowiec wyjaśnia, że w pierwszych latach obowiązywania klimatycznego protokołu z Kioto dotyczącego redukcji emisji gazów cieplarnianych Polska realizowała zobowiązania, zmniejszając właśnie ilość emitowanego podtlenku azotu. Zasadniczo w tym procesie chodzi o to, by podtlenek azotu rozkładać katalitycznie na azot i tlen. Ta reakcja może zachodzić w temperaturze wysokiej i niskiej. Gwoli wyjaśnienia: w tym wypadku temperatura niska to bagatela 350–500 stopni Celsjusza, a wysoka oscyluje w granicach 800–920 stopni. Łatwiej rozkład przeprowadzać w wyższej temperaturze, lecz nie wszędzie jest to możliwe – niektóre instalacje są zbyt stare i gaz w tak wysokiej temperaturze przebywa w niej zbyt krótko. Ale można zaprojektować instalację w ten sposób, by gazy wylotowe spędzały w reaktorze (swego rodzaju metalowym zbiorniku) odpowiedni czas. Chodzi o kilka sekund.

W tym reaktorze musi się znaleźć odpowiedni katalizator, a więc substancja, która będzie sprzyjać zachodzeniu oczekiwanej reakcji. – Nasz katalizator ma rdzeń z innej substancji niż powłoka zewnętrzna. Odkryliśmy, że reakcja zachodzi tylko na tej drugiej, dlatego w środku jest materiał bardziej trwały i, co bardzo ważne, tańszy – wyjaśnia doktor Wilk.

Jak każdy wynalazek, także taki katalizator można „wynaleźć” różnymi metodami. Niektórzy robią to metodą prób i błędów. Parafrazując słowa Forresta Gumpa, problem tego sposobu jest „niczym pudełko czekoladek – nigdy nie wiadomo, co się trafi”. Badania mogą przynieść efekt niemal od razu, a mogą go nie przynieść nigdy. Między innymi dlatego naukowcy z Instytutu Nowych Syntez Chemicznych współpracują przy tym projekcie z chemikami z Uniwersytetu Jagiellońskiego. – Nasi koledzy z Krakowa stworzyli teoretyczne podwaliny, a my to dopracowaliśmy i sprawdziliśmy ten koncept w praktyce – opowiada Marcin Wilk. Praca nad katalizatorem trwa od ponad 10 lat i miała kilka etapów. Po tym czysto teoretycznym przyszedł czas na badania laboratoryjne, gdzie operuje się pojedynczymi gramami badanej substancji. Kolejnym etapem jest tzw. badanie pilotowe, które w dużej mierze przypomina warunki przemysłowe. Wtedy naukowcy z Puław wykorzystują już prawdziwe gazy przemysłowe z własnej instalacji pilotowej, a nie tzw. gazy wzorcowe, które w żaden sposób nie są zmieszane choćby z parą wodną.

– Jako instytut jesteśmy takim ogniwem łączącym naukę teoretyczną z przemysłem. W naszej instalacji pilotowej właśnie badamy katalizator, który w reaktorze ma masę 20 kg – tłumaczy naukowiec. To sprawdzanie zakończy się w przyszłym roku – wtedy będzie można budować już instalacje w odpowiedzi na potrzeby przemysłowe konkretnych klientów. W zależności od wielkości instalacji jednorazowy koszt waha się od 100 tys. do 200 tys. euro. I choć w Europie (nie licząc Rosji) jest ok. 80 pracujących instalacji kwasu azotowego, to takie katalizatory mogą być również instalowane w przyszpitalnych spalarniach odpadów, gdzie trafia m.in. podtlenek azotu, który czasem używany jest podczas porodów lub innych operacji.

Opracowanie takiej innowacji to miliony złotych. Pieniądze wyłożyło m.in. Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. Ale produkty puławskiego instytutu mają tę cechę, że są bardzo praktyczne i na siebie zarabiają. W liczącym prawie 100 mln zł rocznym budżecie instytucji już tylko ok. 10 proc. stanowi dotacja z budżetu państwa. W Puławach z pełnym przekonaniem można powiedzieć: „Tak. Na robieniu nauki można zarabiać”. 

Eureka! DGP

Trwa trzecia edycja konkursu „Eureka! DGP – odkrywamy polskie wynalazki”, do którego zaprosiliśmy polskie uczelnie, instytuty badawcze i jednostki naukowe PAN. Do czerwca w Magazynie DGP będziemy opisywać wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej, wybrane spośród 47 nadesłanych przez 15 uczelni oraz 35 zgłoszonych przez 23 instytuty badawcze i jednostki naukowe PAN. Konkurs zostanie rozstrzygnięty pod koniec czerwca. Nagrodą jest 30 tys. zł dla zespołu, który pracował nad zwycięskim wynalazkiem, ufundowane przez Mecenasa Polskiej Nauki – firmę Polpharma, oraz kampania promocyjna dla uczelni lub instytutu o wartości 50 tys. zł w mediach INFOR Biznes (wydawcy Dziennika Gazety Prawnej) ufundowana przez organizatora.