Dutá nádoba, nebo pevný kov? Kam se vejde více vodíku?

Jak kovová slitina schopná ukládat vodík vzniká, v naší zvukové reportáži popisuje doc. Ludmila Kučerová, z Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni.

„Tento prášek jsme vyrobili z několika kovů. Je to nová skupina slitin, říká se jí slitiny s vysokou entropií. Je to trochu jiný koncept materiálů, než na který jsme byli zvyklí třeba u ocelí, které jsou tvořené hlavně železem a některými dalšími prvky. Tyto slitiny tvoří čtyři nebo pět prvků, které jsou v nich zastoupené v rovnoměrném množství,“ misku s tmavým práškem mi ukazuje docentka Ludmila Kučerová. Setkávám se s ní na Fakultě strojní Západočeské univerzity v Plzni. Kromě prášku v misce vidím šedé kuličky. Právě ty se postarají o to, aby se prášky jednotlivých kovů spolu promíchaly a vznikl tak zcela nový materiál. Na pohled je miska malá, ale když ji zkusím zvednout, jsem překvapený, jak je těžká. Evidentně musí něco vydržet…

Prášek, který v misce vidím, ještě není finálním materiálem. Na jeho vývoji docentka Kučerová teprve pracuje. Ale přibližně tak by měl vypadat. Až bude hotový, dokáže v sobě uchovávat vodík. Nechce se tomu věřit, ale do pevné látky se ho vejde desetkrát více než do tlakové nádoby. „Pevný materiál jako pevný a tuhý vypadá jen zvenčí. Ve skutečnosti ho ale tvoří atomy a i to nejhustější uspořádání atomů v krystalových mřížkách pořád zachovává zhruba třicet procent objemu prostoru volného. A právě do těchto mezer můžeme za vhodných podmínek vodík umístit,“ vysvětluje Kučerová. Výsledkem pak bude, že stejné množství vodíku uchováme v menším zařízení, než je tlaková láhev.

Od fúzních reaktorů k 3D tisku

A neušetří se jen prostor. Aby se dnes plynu do nádob vešlo co nejvíce, musí se stlačovat nebo i zkapalňovat. To se děje za extrémně nízkých teplot. Z toho důvodu je uchovávání vodíku dost energeticky náročné. Při skladování vodíku v plynu by to nejspíš nebylo potřeba. V kovech se vodík uchová při běžných teplotách a za normálního tlaku. Alespoň to tak vědci očekávají.

Tým docentky Kučerové se při svém výzkumu zatím zaměřuje na kombinaci hliníku, titanu, chromu a vanadu. „Výzkum jde velmi rychle kupředu. Před půl rokem jsme vytipovali slitinu, která vypadala velmi nadějně, ale mezitím se objevila upravená varianta této slitiny, která má z hlediska pohlcování vodíku vlastnosti násobně lepší. Vzhledem k obrovskému množství možných materiálových variací se během řešení projektu určitě objeví nějaký další materiál. Pořád je tedy z velké míry i věcí náhody, jestli zasáhneme ten správný cíl,“ připouští Ludmila Kučerová. „V periodické soustavě prvků je přes padesát kovů, a když si představíte, že třeba vždy z pěti vybraných vytvoříte slitinu, přičemž jejich poměry nemusejí být ekviatomární, ale je možné je lehce upravit a dosáhnout tak lepších vlastností, máte najednou celý vesmír naprosto neprobádaných slitin,“ dodává.

Plzeňská vědkyně se svým výzkumným projektem jako jediná Češka nedávno uspěla v 8. výzvě Evropské zájmové skupiny pro spolupráci s Japonskem (EIG Concert Japan) na téma Udržitelná vodíková technologie jako dostupná a čistá energie. V projektu bude spolupracovat s kolegy z partnerských institucí, jimiž jsou Slovenská akademie věd a Univerzita v Kjóto.

EIG Concert Japan je mezinárodní společná iniciativa na podporu a posílení spolupráce v oblasti vědy, techniky a inovací mezi Japonskem a evropskými zeměmi. Cílem je posílení spolupráce ve vědeckotechnickém a inovačním výzkumu, řešení aktuálních společenských výzev a podpora mezinárodní mnohostranné spolupráce ve výzkumu prostřednictvím plánování, vyhlašování a provádění společných výzev. 8. společná výzva v roce 2021 vychází z celosvětové potřeby vyvinout účinnější a čistší technologie na bázi vodíku jako konkurenceschopné energetické alternativy ve srovnání s tradičními fosilními palivy. Projekt vedený doc. Ludmilou Kučerovou je jedním z šesti podpořených projektů.

Vědkyně očekává, že výsledný materiál bude poměrně lehký. Využití tak vidí například v automobilech na vodíkový pohon. Pro svou malou rozlohu se materiál bude hodit i do rodinných domů. V praxi to může vypadat tak, že pomocí solárních panelů vyrobíme elektrickou energii. Za příhodných podmínek jí bude více, než aktuálně spotřebujeme. Přebytečnou energii tak pomocí elektrolýzy vody přeměníme na vodík, který uskladníme. A až to bude potřeba, z vodíku znovu vyrobíme elektřinu. To je ostatně jedno z uvažovaných využití vodíku v energetice.

Vodíkovou budoucnost nelze zjednodušovat

Vysokoentropické slitiny mají široké spektrum zajímavých vlastností. Ludmila Kučerová tedy věří, že výsledky projektu nevyužije jen pro vývoj materiálu vhodného pro skladování vodíku, ale i pro další průmyslové využití: „Tyto slitiny mají zajímavé vlastnosti za extrémních teplot, ať už extrémně nízkých, nebo extrémně vysokých. Jsou to lepší vlastnosti, než mají současné niklové superslitiny, o ocelích ani nemluvím. Takže se budou dát využít i kvůli jiným vlastnostem, než je schopnost absorpce a desorpce vodíku.“

První komerčně využitelné výsledky svého bádání docentka Kučerová očekává asi za pět let.

Více se dozvíte v naší zvukové reportáži.