Yararlı kimyasallar üretmek için kullanılan bazı endüstriyel işlemler ısı gerektirir, ancak ısıtma yöntemleri genellikle verimsizdir, bunun nedeni kısmen gerçekte ihtiyaç duyulandan daha fazla alan ısıtmasıdır. Tokyo Üniversitesi’nden araştırmacılar da dahil olmak üzere araştırmacılar, bu tür durumlarda gerekli olan belirli alanlarla ısıtmayı sınırlamanın bir yolunu buldular. Teknikleri, ısıtılacak malzemelerde dağılmış belirli elementleri harekete geçirmek için ev tipi mikrodalga fırınlarda kullanılanlardan farklı olmayan mikrodalgalar kullanıyor. Sistemlerinin mevcut yöntemlerden yaklaşık 4,5 kat daha verimli olduğu kanıtlandı.
İklim değişikliğinde elektrik üretimi ve karbondioksitten (CO) daha fazlası varken2), birinciye olan ihtiyacın ve ikincisinin çıktısının azaltılması, bilim ve mühendisliğin çözmeye çalıştığı kritik konulardır. Yeşil dönüşümün geniş bayrağı altında, Tokyo Üniversitesi Kimyasal Sistem Mühendisliği Bölümü’nden Öğretim Görevlisi Fuminao Kishimoto ve ekibi, endüstriyel süreçler gibi şeyleri iyileştirmenin yollarını araştırıyor. En son gelişmeleri, kimyasal sentezle ilgilenen bazı endüstrileri etkileyebilir ve başka olumlu yan etkilere de sahip olabilir. Ve bunların altında yatan fikir nispeten basittir.
Kishimoto, “Çoğu durumda, kimyasal reaksiyonlar yalnızca birkaç atom veya molekül içeren çok küçük, lokalize bölgelerde meydana gelir. Bu, büyük bir kimyasal reaktörde bile yalnızca sınırlı parçaların reaksiyon için gerçekten enerji girdisine ihtiyaç duyduğu anlamına gelir” dedi.
“Ancak, yanma veya sıcak sıvılar gibi geleneksel ısıtma yöntemleri, termal enerjiyi tüm reaktör boyunca dağıtır. Bu araştırmaya, mikrodalga fırınların, tıpkı bir mikrodalga fırının yiyecekleri ısıtması gibi, enerjiyi tek bir atomik aktif bölgede yoğunlaştırabileceği fikriyle başladık.”
Kishimoto’nun da belirttiği gibi, süreç konsept olarak bir mikrodalga fırının çalışma şekline benzer, ancak bu durumda, mikrodalgalar yaklaşık 2,45 gigahertz’de kutupsal su moleküllerini ısıtmak için ayarlanmak yerine (bu aynı zamanda, kalanları ısıtırken internet bağlantınızın kararsız hale geldiğini fark etmeniz durumunda yaygın bir Wi-Fi frekansıdır), mikrodalgaları 900 megahertz civarında çok daha düşük frekanslara ayarlanmıştır. Bunun nedeni, bunların ısıtmak istedikleri malzeme olan zeoliti harekete geçirmek için ideal olmalarıdır.
Kishimoto, “En zorlu kısım, mikrodalgalar tarafından yalnızca tek bir atomik aktif bölgenin ısıtıldığını kanıtlamaktı. Bunu başarmak için, Japonya’nın birinci sınıf büyük sinkrotron radyasyon tesisi SPring-8’de özel bir deney ortamı geliştirmek için dört yıl harcadık” dedi.
“Bu, süngerimsi zeolitin kullanılmasını içeriyordu; bu ideal çünkü sünger boşluklarının boyutlarını kontrol edebiliyoruz ve bu da reaksiyonların farklı faktörlerini dengelememize olanak tanıyor. Sünger boşluklarının içinde indiyum iyonları anten gibi davranıyor. Bunlar, ısı yaratan mikrodalgalar tarafından uyarılıyor ve bu daha sonra süngerin içinden geçen reaksiyon malzemelerine aktarılabiliyor.”
Isıyı belirli malzemelere seçici olarak ileterek, suyun ayrışması veya metan dönüşümü gibi normalde çok zorlu olan ve her ikisi de yakıt ürünleri oluşturmak için yararlı olan reaksiyonları elde etmek için daha düşük genel sıcaklıklar kullanılabilir. Zeolit süngerinin gözenek boyutunu değiştirerek seçiciliği daha da geliştirebilirler; daha küçük gözenekler daha fazla verimlilik sağlar ve daha büyük gözenekler reaksiyonlar üzerinde daha fazla kontrol sağlar.
Ve önemli bir avantaj da bu tekniğin karbon yakalama, CO’yu geri dönüştürmede bile kullanılabilmesidir.2 metan dönüşümünün bir parçası olarak kullanılabilir ve hatta plastikleri daha kolay geri dönüştürebilirsiniz.
Şimdi asıl zorluk, endüstriyel benimsemeyi teşvik etmek için bunun nasıl ölçeklendirileceği olacaktır; laboratuvarda işe yarayan şeyler doğrudan büyük endüstriyel ortamlara kolayca aktarılamaz. Ayrıca araştırmanın öncelikle ele alınması gereken bazı sınırlamaları da vardır. Malzeme gereksinimleri oldukça karmaşıktır ve üretimi basit veya ucuz değildir; Sıcaklıkları atom ölçeğinde kesin olarak ölçmek zordur, bu nedenle mevcut veriler dolaylı kanıtlara dayanır ve daha doğrudan yöntemler tercih edilir. Verimlilikteki iyileşmelere rağmen, ısı ve elektrik kayıpları meydana geldiğinden burada da hâlâ iyileştirmeye yer var.
“Bu konsepti CO’nun ötesinde diğer önemli kimyasal reaksiyonlara genişletmeyi amaçlıyoruz.2 dayanıklılığı ve ölçeklenebilirliği artırmak için katalizör tasarımını daha da optimize etmek. Teknoloji henüz laboratuvar aşamasında. Ölçek büyütmek, katalizörlerin daha da geliştirilmesini, reaktör tasarımını ve yenilenebilir enerji kaynaklarıyla entegrasyonu gerektirecektir” dedi Kishimoto.
“Kesin bir zaman çizelgesi vermek zor olsa da, önümüzdeki on yıl içinde, hem teknoloji hem de enerji altyapısındaki ilerlemeye bağlı olarak daha geniş endüstriyel benimseme ile pilot ölçekli gösteriler bekliyoruz. Bunu başarmak için, ortak geliştirme yapacak kurumsal ortaklar arıyoruz.”
