Κοιτώντας στους ουρανούς: πειράματα για την αλλαγή του κλίματος Teach article

Μετάφραση: Νίκος Σκουλίδης (Nikos Skoulidis). Στο δεύτερο από τα δύο άρθρα, οι Dudley Shallcross, Tim Harrison, Steve Henshaw και Linda Sellou προσφέρουν πειράματα φυσικής και χημείας για την…

Οι συζητήσεις για την κλιματική αλλαγή στις αίθουσες των εργαστηρίων μπορούν να έχουν πολύ μεγάλο εύρος, αλλά οι διάφορες πηγές ενέργειας και οι επιπτώσεις τους θα παίξουν πιθανά κάποιο ρόλο. Τα θέματα που αναδύθηκαν πιθανόν να περιέχουν διάφορα καύσιμα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν, πόσο αποδοτικά είναι και πως παράγονται· εναλλακτικά για εσωτερική καύση· ηλιακή ενέργεια· και την σημασία του διοξειδίου του άνθρακα στη θέρμανση του πλανήτη. Παρακάτω, προτείνουμε δυο εργαστηριακές δραστηριότητες για την υποστήριξη των μαθημάτων φυσικής και χημείας στις κλιματικές αλλαγές. Τρεις δραστηριότητες σχετικές με τα καύσιμα δημοσιεύθηκαν από Shallcross et al (2009).

1) Κύτταρα Grätzel: ενέργεια από το φως του ήλιου

Ο Ήλιος, φυσικά, είναι η πηγή του μεγαλύτερου μέρους της ενέργειας που χρησιμοποιείται στη Γη, εκτός από τη γεωθερμική και την πυρηνική ενέργεια – συμπεριλαμβανομένης της ενέργειας από τα ορυκτά καύσιμα και τα σύγχρονα “πράσινα” καύσιμα. Αλλά το φως του ήλιου μπορεί να χρησιμοποιηθεί και άμεσα σαν πηγή ενέργειας, όπως μπορεί να δειχθεί και μέσα στην αίθουσα χρησιμοποιώντας τα κύτταρα Grätzel, που αποκαλούνται επίσης και ‘φωτοκύτταρα νανοκρυσταλικής βαφής’ ή ‘οργανικά φωτοκύτταρα’. Ονομάσθηκαν έτσι από τον εφευρέτη τους, τον Ελβετό μηχανικό Michael Grätzel. Τα κύτταρα Grätzel μετατρέπουν το ηλιακό φως άμεσα σε ηλεκτρισμό με τεχνητή φωτοσύνθεση χρησιμοποιώντας βαφές που βρίσκονται στη φύση, για παράδειγμα, στα κεράσια, στα βατόμουρα, στα σμέουρα και στις μαύρες σταφίδες. Αυτές οι κόκκινο-μωβ βαφές, γνωστές και σαν ανθοκυανίνες^w1, είναι πολύ εύκολο να εξαχθούν από τους μαθητές των σχολείων από φρούτα και φύλλα βράζοντάς τα απλά με μικρή ποσότητα νερού και με φιλτράρισμα.

Αυτά τα κύτταρα είναι πολλά υποσχόμενα, γιατί φτιάχνονται από υλικά χαμηλού κόστους και δεν χρειάζεται να κατασκευάσουμε συσκευές για την παραγωγή τους. Παρόλο που η απόδοσή τους είναι μικρότερη από αυτή των καλύτερων κυττάρων λεπτού υμενίου, ο λόγος τιμή/απόδοση (kWh/M2/έτος) είναι αρκετά υψηλός ώστε να ανταγωνισθεί την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ορυκτά καύσιμα. Οι εμπορικές εφαρμογές τους, που ακόμη καθυστερούν εξαιτίας προβλημάτων χημικής σταθερότητας, προβλέπονται τώρα από το European Union Photovoltaic Roadmap^w2 (Οδικός Χάρτης Φωτοβολταϊκών Ευρωπαϊκής Ένωσης) να είναι πιθανά σημαντικός συντελεστής στην παραγωγή ανανεώσιμου ηλεκτρισμού μέχρι το 2020.

Τα κύτταρα Grätzel ξεχωρίζουν τις δύο λειτουργίες που συμβαίνουν από το πυρίτιο σε ένα συμβατικό φωτοκύτταρο: κανονικά το πυρίτιο λειτουργεί σαν η πηγή των φωτοηλεκτρονίων αλλά δημιουργεί και το ηλεκτρικό πεδίο για τον διαχωρισμό των ηλεκτρικών φορτίων για τη δημιουργία του ηλεκτρικού ρεύματος. Στα κύτταρα Grätzel, ο ημιαγωγός χρησιμοποιείται μόνο για τη μεταφορά των ηλεκτρικών φορτίων, καθώς τα φωτοηλεκτρόνια παρέχονται από μια ξεχωριστή φωτοευαίσθητη βαφή (την ανθοκυανίνη). Ο διαχωρισμός των φορτίων γίνεται στις επιφάνειες μεταξύ της βαφής, του ημιαγωγού και του ηλεκτρολύτη.

Τα μόρια της βαφής είναι αρκετά μικρά (στην κλίμακα του νανομέτρου), και έτσι για να συλλάβουν αξιόλογη ποσότητα του προσπίπτοντος φωτός, η στρώση τους πρέπει να είναι αρκετά παχιά – πολύ παχύτερη από τα ίδια τα μόρια. Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα, χρησιμοποιείται ένα νανοϋλικό σαν ικρίωμα (σκαλωσιά) ώστε να κρατά μεγάλο αριθμό μορίων βαφής σε μια τρισδιάστατη διάταξη, αυξάνοντας τον αριθμό των μορίων στην επιφάνεια του κυττάρου. Στα υπάρχοντα σχέδια, αυτό το ικρίωμα παρέχεται από το ημιαγωγικό υλικό (οξείδιο του τιτανίου) που παίζει έτσι διπλό ρόλο.

Τα κύτταρα Grätzel μπορούν να φτιαχτούν από το τίποτα, αλλά το να συγκρατηθούν σε προ-επεξεργασμένα γυαλιά που έχουν την μια πλευρά τους αγώγιμη δεν είναι εύκολο. Επιπλέον, το ψήσιμο της πάστας του διοξειδίου του τιτανίου στην επιφάνεια του γυαλιού χρειάζεται ένα φούρνο για περίπου 24 ώρες. Έτσι, είναι ευκολότερο να χρησιμοποιήσουμε κάποιο εμπορικό προκατασκεύασμα (κιτ), όπως αυτό που είναι διαθέσιμο από την Δανική εταιρεία Mansolar^w3, και που επιτρέπει την συναρμολόγηση έξι κυττάρων Grätzel από κάθε σετ και που κοστίζει περίπου 80 €. Αν έχετε ήδη κάποια εμπειρία στη χρήση των απαιτούμενων συσκευών και προτιμάτε να φτιάξετε μόνοι σας τα κύτταρα Grätzel, θα βρείτε οδηγίες για τα απαιτούμενα βήματα παρακάτω:

1. Πάρτε 2 γυάλινες πλάκες, με μέγεθος της καθεμιάς περίπου σαν της αντικειμενοφόρου μικροσκοπίου, η μια πλευρά των οποίων να έχει επεξεργασθεί με οξείδιο ινδίου – κασσιτέρου (ΟΙΚ) ώστε να γίνει ηλεκτροαγώγιμη.
2. Η μια πλάκα πρέπει να έχει το διοξείδιο του τιτανίου ψημένο πάνω στην ακάλυπτη πλευρά της. Το διοξείδιο του τιτανίου σχηματίζει πολύ πορώδεις δομές με πολύ μεγάλη ελεύθερη επιφάνεια, όπου η βαφή μπορεί να συγκρατηθεί. Προσοχή: είναι πολύ εύκολο να αποξεθεί η πούδρα του διοξειδίου του τιτανίου, και παρόλο που μπορείτε να προμηθευτείτε πάστα διοξειδίου του τιτανίου δεν είναι βολικό να ψήσετε τις πλάκες για αρκετό χρόνο με μια καινούρια στρώση στο φούρνο. Η αποθήκευση επομένως είναι ένα πρόβλημα. Η ευκολότερη λύση είναι να προμηθευτείτε τα υλικά έτοιμα.
3. Καλύψτε την άλλη πλάκα με μια στρώση γραφίτη μολυβιού απλά γράφοντας με το μολύβι στην ακάλυπτη επιφάνεια του γυαλιού.
4. Γεμίστε ένα δίσκο Petri (καλλιέργειας μικροβίων) με βαφή ανθοκυανίνης. Διαποτίστε την βαφή ανθοκυανίνης στο διοξείδιο του τιτανίου βυθίζοντας την αντίστοιχη πλάκα στο δίσκο Petri και μετά στεγνώστε με ένα στεγνωτήρα μαλλιών. Η βαφή παραμένει ομοιοπολικά δεσμευμένη στην επιφάνεια του οξειδίου του τιτανίου. Μετά την χρήση είναι εύκολο να αφαιρεθεί η ξεραμένη βαφή ανθοκυανίνης χρησιμοποιώντας οινόπνευμα ή προπανόνη (ακετόνη ή ασετόν).
5. Συναρμολογείστε το κύτταρο από κάτω προς τα πάνω.
   • Στη βάση θα βρίσκεται η πλάκα με τον γραφίτη, η γραφιτωμένη πλευρά προς τα πάνω, που θα λειτουργεί σαν κάθοδος.
   • Χρησιμοποιείστε ένα διάλυμα ιωδίου διαλυμένο σε ιωδιούχο κάλιο σαν ηλεκτρολύτη και εμποτίστε το ανάμεσα στις πλάκες.
   • Στην κορυφή θα είναι η επιστρωμένη με διοξείδιο του τιτανίου πλάκα, με το ΟΙΚ προς τα πάνω. Το ΟΙΚ θα χρησιμεύσει σαν διαφανής άνοδος.
6. Χρησιμοποιώντας ένα συνδετήρα κρατάτε τις πλάκες μαζί.
7. Χρησιμοποιείστε δύο κροκοδειλάκια για να συνδέσετε τα επικαλυπτόμενα τμήματα του γυαλιού (πάνω και κάτω, δες εικόνα) του κυττάρου Grätzel και συνδέστε τους δυο ακροδέκτες σε ένα πολύμετρο για να πάρετε μετρήσεις.
8. Ρίξτε φως πάνω στο κύτταρο. Αν μελετάτε αυτή τη συσκευή στη Βόρεια Ευρώπη κατά την διάρκεια του χειμώνα, μια λάμπα μικροσκοπίου ή γραφείου θα σας είναι χρήσιμη για να σας παρέχει το φως.
9. Χρησιμοποιείστε ένα φωτόμετρο για να προσδιορίσετε την ένταση του φωτός που προσπίπτει στο κύτταρο Grätzel.

•  Ανθοκυανίνες από διαφορετικές πηγές
• Φυτικές βαφές διαφορετικές από τις ανθοκυανίνες
• Την συγκέντρωση του διαλύματος ανθοκυανίνης που χρησιμοποιείται
• Την επιφάνεια της στρώσης του διοξειδίου του τιτανίου που εκτίθεται στις ανθοκυανίνες
• Την θερμοκρασία του κυττάρου
• Την συχνότητα του φωτός (χρησιμοποιώντας έγχρωμα φίλτρα)
• Την ένταση του φωτός (χρησιμοποιώντας την λάμπα μικροσκοπίου σαν πηγή φωτός)
• Μερικά κύτταρα σε σειρά ή παράλληλα

Λεπτομέρειες για την χημεία που συμβαίνει σε αυτά τα κύτταρα μπορούν να βρεθούν σε ένα online άρθρο^w4.

2) Ανιχνεύοντας τα επίπεδα του ατμοσφαιρικού διοξειδίου του άνθρακα

Το CO₂ είναι το γνωστότερο αέριο του θερμοκηπίου και από τους κυριότερους προβληματισμούς στις συζητήσεις για τις κλιματικές αλλαγές. Κάποιος θα ρωτούσε πως τα επίπεδα του CO₂ μετρούνται σε δείγματα ατμόσφαιρας, ειδικά καθώς η συγκέντρωσή του είναι τόσο μικρή: η απάντηση είναι με υπέρυθρη φασματοσκοπία. Τα μόρια του διοξειδίου του άνθρακα απορροφούν συγκεκριμένες συχνότητες της υπέρυθρης ακτινοβολίας, που επιδρούν στον ομοιοπολικό δεσμό μεταξύ οξυγόνου και άνθρακα, ανάλογα με την ενέργεια. Οι χαμηλές ενέργειες προκαλούν κάμψεις των δεσμών και οι υψηλές προκαλούν αλλαγές του μήκους τους. Οι συχνότητες στις οποίες συμβαίνει αυτό είναι μέσα στο υπέρυθρο τμήμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (μεταξύ 4000 και 650 κυματάριθμους). Ο κυματάριθμος είναι το αντίστροφο του μήκους κύματος και είναι μια μονάδα που συχνά χρησιμοποιείται στην φασματοσκοπία του υπερύθρου. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον καθορισμό της περιεκτικότητας στου CO₂ ως ακολούθως.

Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι αισθητηρίων διοξειδίου του άνθρακα (δες Harrison et al, 2006). Οι πιο ακριβοί ερευνητικοί αισθητήρες αντλούν αέρα μέσα από τον αισθητήρα, ενώ οι φθηνότεροι λειτουργούν στον διάχυτο αέρα. Ο αέρας περνά μέσα σε ένα κύτταρο απορρόφησης, που στην ουσία είναι ένας μικρός σκοτεινός κύλινδρος μέσα στον αισθητήρα.

Στο ένα άκρο του κυττάρου απορρόφησης, υπάρχει μια πηγή υπερύθρου φωτός προσαρμοσμένη σε ένα φίλτρο συγκεκριμένου μήκους κύματος, ώστε να δημιουργεί μια πηγή υπέρυθρου φωτός στενής περιοχής περίπου στα 2350 cm^-1 (κυματάριθμους). Στο άλλο άκρο του σωλήνα, υπάρχει ένας ανιχνευτής υπέρυθρου ή μετρητής φωτονίων που μετρά την ένταση του υπέρυθρου φωτός. Όσο περισσότερα μόρια CO₂ υπάρχουν στο δείγμα αέρα, τόσο περισσότερη υπέρυθρη ακτινοβολία απορροφάται από κύτταρο, και έτσι φθάνει λιγότερη στον ανιχνευτή. Για μικρές απορροφήσεις, ο νόμος των Beer-Lambert μας λέει ότι:

Συγκέντρωση = (1-(I/I₀)) / σl
όπου:

• l είναι το μήκος της διαδρομής (μήκος του κυττάρου)
• σ είναι η ειδική απορρόφηση για το CO₂ στο μήκος κύματος που χρησιμοποιείται και είναι γνωστή με μεγάλη ακρίβεια
• (I/I₀) είναι ο λόγος της υπέρυθρης ακτινοβολίας που φθάνει στον ανιχνευτή όταν υπάρχει δείγμα αέρα σε αυτόν (Ι) προς την ακτινοβολία όταν αυτός είναι κενός (I₀)

Το I₀ δεν μετρείται σε κάθε χρήση, αλλά αρκετά συχνά ώστε να ελέγχεται ότι δεν υπάρχει σημαντική μεταβολή στην ένταση της πηγής φωτός του οργάνου.

Οι φοιτητές που έχουν χρησιμοποιήσει τέτοιους αισθητήρες, που δανείσθηκαν από το πανεπιστήμιο του Bristol, εξεπλάγησαν από το ότι τα μετρούμενα επίπεδα σε μια άδεια αίθουσα είναι πολύ μεγαλύτερα από ότι στους εξωτερικούς χώρους, αρκετά πάνω από 0.037% (0.037/100 x 1 x 10⁶ = 370 ppm) που αναφέρεται για την συγκέντρωση του ατμοσφαιρικού CO₂ σε κάποια βιβλία. Τα νέα σχολικά κτίρια στη Μεγάλη Βρετανία φαίνεται ότι έχουν παράθυρα που δεν είναι σχεδιασμένα να ανοίγουν, έτσι το εκπνεόμενο CO₂ συσσωρεύεται.

Οι αισθητήρες CO₂ που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε με τους φοιτητές είναι συντονισμένοι στην ασύμμετρη παραμόρφωση των δεσμών v3 στους 2349 κυματάριθμους (Harrison et al, 2006). Ασύμμετρη παραμόρφωση έχουμε όταν οι διπλοί δεσμοί μεταξύ του άνθρακα και του οξυγόνου (C=O) απορροφούν ενέργεια, και ο ένας δεσμός επιμηκύνεται ενώ ο άλλος συρρικνώνεται (δες το διάγραμμα). Για το CO₂ μπορεί να υπάρχει μόνο μια ασύμμετρη παραμόρφωση. Αυτή η συγκεκριμένη παραμόρφωση του δεσμού είναι σημαντική επειδή το διοξείδιο του άνθρακα είναι το μόνο μόριο που βρίσκεται σε μεγάλες ποσότητες στην ατμόσφαιρα και απορροφά στους 2349 κυματάριθμους. Επομένως, μόνο η απορρόφηση από το CO₂ μπορεί να προκαλέσει μεταβολή στην ένταση του υπέρυθρου φωτός σε αυτό το μήκος κύματος.

Η Bristol ChemLabS θα ενδιαφερόταν να ακούσει από τα σχολεία της Ευρώπης ότι θα ήθελαν να δανειστούν ένα από αυτά τα εύκολα στη χρήση όργανα για μελέτες της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα σε δείγματα της ατμόσφαιρας. Παρόλο που τα όργανα διατίθενται στο εμπόριο, είναι αρκετά ακριβά και έτσι δεν είναι διαθέσιμα στα σχολεία η κολλέγια.

Download

Download this article as a PDF