V svetu, ki ga vse bolj skrbijo okoljske in geopolitične posledice uporabe fosilnih goriv, je jedrska energija znova postala tema velikega zanimanja. Jedrska energija omogoča zmožnost proizvajanja električne energije v velikem obsegu brez emisij toplogrednih plinov. Je obetavna kot trajnosten vir čiste energije, ki bi lahko premostil prehod družbe s fosilnih goriv v prihodnost z ničelnimi neto vrednostmi. Vendar proizvodnja jedrske energije proizvaja radioaktivne odpadke. Varno ravnanje z jedrskimi odpadki ostaja ključen izziv, ki ga je treba obravnavati, da pridobimo zaupanje javnosti v to rešitev.
Kako so lahko kristali odgovor?
Zdaj je ekipa raziskovalcev Univerze v Houstonu pripravila inovativno rešitev za ravnanje z jedrskimi odpadki: molekularni kristali na osnovi ciklotetrabenzil hidrazonov. Ti kristali, ki temeljijo na prelomnem odkritju ekipe leta 2015, so sposobni zajeti jod – enega najpogostejših produktov radioaktivne cepitve. Do zajema pa lahko pride v vodnih in organskih raztopinah in celo na vmesniku med obema.
»Ta zadnja točka je še posebej pomembna, ker bi zajetje joda na vmesnikih lahko preprečilo, da bi jod dosegel in poškodoval specializirane barvne premaze, ki se uporabljajo v jedrskih reaktorjih in posodah za zadrževanje odpadkov,« je dejal Ognjen Miljanic, profesor kemije in avtor prispevka, ki podrobno opisuje preboj v Cell Reports Physical Science.
Odkritju je botrovala želja po zmanjšanju radioaktivnih odpadkov
Ti kristali izkazujejo osupljivo sposobnost absorpcije joda, ki tekmuje z zmogljivostjo poroznih kovinsko-organskih ogrodij (MOF) in kovalentnih organskih ogrodij (COF), ki so prej veljali za vrhunec materialov za zajemanje joda.
Alexandra Robles, prva avtorica študije in nekdanja doktorska študentka, ki je svojo disertacijo zasnovala na tej raziskavi, je delala s kristali v Miljanićevem laboratoriju, ko je odkrila njihovo neverjetno sposobnost. Njeno zanimanje za iskanje rešitve za jedrske odpadke je Roblesovo vodilo k raziskovanju uporabe kristalov za zajemanje joda.
»Na koncu je zajela jod na meji med organsko in vodno plastjo, kar je premalo raziskan pojav,« je dejal Miljanic, ki je dodal, da ta izjemna lastnost zagotavlja ključno prednost. »Ko se material odloži med organsko in vodno plastjo, v bistvu ustavi prenos joda iz ene plasti v drugo.«
Tehnologija ujemi in spusti je lahko odločilna
Ne le, da ta proces ohranja celovitost prevlek reaktorja in izboljša zadrževanje, ampak se lahko zajeti jod nato tudi premakne iz enega območja v drugega. »Ideja tukaj je, da ga zajamete na mestu, kjer je težko upravljati, in ga nato izpustite na mestu, kjer je enostavno upravljati,« je dejal Miljanić.
Druga prednost te tehnologije ujemi in spusti je, da je mogoče kristale ponovno uporabiti. »Če se onesnaževalo samo prilepi na regent, je treba celotno stvar zavreči,« je dejal. »In to povečuje odpadke in gospodarsko izgubo.«
Vse te velike potenciale je seveda treba še preizkusiti v praksi, zaradi česar Miljanić razmišlja o naslednjih korakih.
Kristale so poimenovali hobotnica
Miljanićeva ekipa ustvarja te drobne organske molekule, ki vsebujejo le atome ogljika, vodika in kisika, z uporabo komercialno dostopnih kemikalij.
Vsak kristal je obročasta struktura, iz katere izhaja osem linearnih kosov, zaradi česar ga je raziskovalna skupina poimenovala »hobotnica«.
»Dokaj enostavno jih je izdelati in jih je mogoče proizvajati v velikem obsegu iz razmeroma poceni materialov brez posebne zaščitne atmosfere,« je dejal Miljanic.
Ocenil je, da lahko trenutno proizvaja te kristale po ceni približno 1 dolar na gram v akademskem laboratoriju. Miljanic verjame, da bi se lahko v industrijskem okolju stroški še znatno znižali.
Njihova prihodnost ni samo v jedrski energiji – nadaljnje raziskave kažejo visoko aplikativnost
Ti lačni mali kristali so zelo vsestranski in lahko zajamejo več kot le jod. Miljanic in njegova ekipa so nekatere izmed njih uporabili za zajemanje ogljikovega dioksida, kar bi bil še en velik korak k čistejšemu in bolj trajnostnemu svetu. Poleg tega so molekule »The Octopus« tesno povezane s tistimi, ki jih najdemo v materialih, ki se uporabljajo za izdelavo litij-ionskih baterij, kar odpira vrata drugim energetskim priložnostim.
»To je vrsta preproste molekule, ki lahko počne najrazličnejše stvari, odvisno od tega, kako jo integriramo s preostalim danim sistemom,« je dejal Miljanic. »Torej, zasledujemo tudi vse te aplikacije.«
Navdušen je nad množico potencialov, ki jih ponujajo kristali, in se veseli raziskovanja praktičnih aplikacij. Njegov naslednji cilj je najti partnerja, ki bo znanstvenikom pomagal raziskati različne komercialne vidike.
Do takrat nameravajo raziskovalci nadalje raziskati kinetiko in obnašanje kristalnih struktur, da bi jih naredili še boljše.
Novinar
