Gledanje ka nebu: eksperimenti sa klimatskim promenama Teach article

Prevela: Mina Antušević, Biološki Fakultet Univerziteta u Beogradu. U drugom od dva članka, Dudley Shallcross, Tim Harrison, Steve Henshaw i Linda Sellou isprobavaju hemijske i fizičke eksperimente da bi iskoristili Sunčevu energiju i izmerili nivo ugljen dioksida.

Diskusije o klimatskim promenama u naučnim učionicama mogu biti širokog spektra, ali razičiti izvori erergije i njihove posledice će najverovatnije imati bitnu ulogu. Pokrenute teme obično uključuju: različita goriva koja mogu biti korišćena, koliko su efikasna i kako su proizvedena; alternative sagorevanja; solarna energija i značaj ugljen dioksida u globalnom zagrevanju. Ispod, prilažemo dve laboratorijske aktivnosti kako bismo podržali hemijske i fizičke lekcije o klimatskim promenama. Tri funkcije vezane za gorivo objavljene su u Shallcross et al (2009).

1) Gräcel ćelije: energija iz Sunčeve svetlosti

Sunce je, naravno, izvor najviše korišćene energije na Zemlji, pored geotermalne i nuklearne energije – uključujući i energiju iz fosilnih goriva, kao i najsavremenijih ’zelenih’ goriva. Ali, Sunce se takođe može koristiti direktno kao izvor energije, što se može demostrirati u učionici korišćenjem Gräcel ćelija, takođe poznatih i kao ’nanokristalno bojene solarne ćelije’ ili ’ organske solarne ćelije’. Nazvane po njihovom pronalazaču, Švajcarskom inžinjeru Majklu Gräcelu, Gräcel ćelije direktno pretvaraju svetlost u električnu energiju veštačkom fotosintezom koristeći prirodne boje, pronađene, na primer, u višnjama, borovnicama, malinama i crnim ribizlama. Ove ljubičasto-crvene boje, poznate kao antocijanini^w1, učenici veoma lako mogu ekstrahovati iz plodova i listova jednostavno kuvajći ih u maloj zapremini vode i filtrirajući ih.

Ove ćelije dosta obećavaju zato što su napravljene od jeftinih materijala i ne zahtevaju složenu opremu da bi se proizvele. Iako je njihova konvertorska efikasnost manja nego kod najboljih tankoslojnih film-ćelija, njihov odnos cena/učinak (kWh/M2/godina) je dovoljno veliki da im omogući da se takmiče sa proizvodnjom električne energije iz fosilnih goriva. U tzv. Fotonaponskoj (solarnoj) mapi puta^w2 Evropske Unije, prognozira se da će komercijalna primena, koja je bila u zastoju usled problema hemijske stabilnosti, biti potencijalno značajan obnovljivi izvor električne energije do 2020. godine.

Gräcel ćelije imaju dve funkcije koje omogućava silikon u tradicionalnom ćelijskom dizajnu: obično, silikon funcioniše kao izvor fotoelektrona, odnosno stvara električno polje koje razdvaja naboje i stvara struju. U Gräcel ćeliji, međutim, poluprovodnik se koristi samo za prenos naboja, dok se fotoelektroni obezbeđuju iz posebne fotosenzitivne boje (antocijanina). Razdvajanje naboja se odvija na površinama boje, poluprovodnika i elektrolita.

Molekuli boje su prilično mali (na nanometarskoj skali), pa da bismo dobili prihvatljivu količinu ulaznog svetla, sloj molekula boje treba da bude prilično debeo – mnogo deblji nego sami molekuli. Da bi se rešio ovaj problem, nanomaterijal se koristi kao armatura za držanje velikog broja molekula boje u 3D matriksu, povećavajući tako broj molekula u svakom delu ćelije. U postojećem dizajnu, ovaj nosač u vidu skele je izgrađen od poluluprovodničkog materijala (titanijum oksida), koji ima dvostruku ulogu.

Gräcel ćelije se mogu lako napraviti, ali nije lako naći staklo koje je unapred obrađeno tako da je jedna strana provodljiva. Šta više, pečenjem titanium dioksid paste u staklenu površinu, potrebna je upotreba peći oko 24 časa. Stoga, lakše je koristit komercijalnu opremu, kao one koje se mogu naručiti od Holandske kompanije Mansolar^w3, gde se šest Grecel ćelija nalaze u jednom pakovanju i koštaju otpriike 80 eura. Ali, ako već imate neko iskustvo u korišćenju ove opreme i želite da napravite sopstvene Grecel ćelije, naćićete šemu potrebnih koraka ispod:

1. Uzmite dve staklene ploče, svaka veličine mikroskopskog objektiva, sa jednom stranom koja je tretirana indium oksidom da bi se obezbedila njena elektroprovodljivost.
2. Jedna strana treba biti obložena titanijum dioksidom, koji se nanosi pečenjem. Titanijum dioksid formira jako poroznu strukturu sa velikom površinom, za koju se može boja vezati. Upozorenje: prašak titanijum dioksida jako je lako skinuti sa staklene ploče, pa iako pastu titanium dioksida možete kupiti, obložene ploče je nepohodno peći znatno vreme u peći. Odlaganje materijala takođe treba uzeti u obzir. Najlakše rešenje je da se kupi već napravljeni materijal.
3. Pokrijte drugu ploču slojem grafita iz olovke jednostavno trljajući olovku preko neobložene površine stakla.
4. Napunite petri šolju antocijanskom bojom. Potopite fotosenzitivnu antocijansku boju na titanjum dioksid stavivši odgovarajuću ploču u petri šolju, zatim osušite fenom za kosu. Boja je će biti kovalento vezana za površinu titanium dioksida. Posle upotrebe, lako je ukolniti stare antocijanske pigmente upotrebom etanola ili propanona (acetona).
5. Složite foto ćelije redom od dna ka vrhu:
   • Na dnu će biti grafitna ploča, sa grafitnom stranom na gore, služeći kao katoda.
   • Korisiti rastvor joda rastvorenog u kalijum jodidu kao elektrolit i ubrizgan između ploča.
   • Na vrhu će biti ploča od titanijum dioksida obložena bojom, sa stranom od indijum-kalaj oksida okrenutom na gore. Indijum-kalaj oksid će služiti kao transparentna anoda.
6. Upotrebite papirne spojnice da biste spojili ploče.
7. Uzeti dve velike štipaljke da bi spojili delove stakla Grecel ćelija koji štrče (vrh i dno, vidi sliku) i spojiti sa 2 električna provodnika povezana za aparat za očitavanje.
8. Uperite svetlo ka ćeliji. Ako se istraživanja ove aparature vrše u severnoj Evropi tokom zimskih meseci, mikroskopska lampa ili stona lampa biće korisne za obezbeđivanje svetlosti. 
9. Koristite merač svetla da biste odredili intenzitet svetla koji pada na Grecel ćelije.

Za zabavu, Grecel ćelije se mogu upotrebljivati za napajanje razilitih mehanizama. Npr., možete zameniti baterije u digitronu provodnicima koje napaja nekoliko malih Grecel ćelija u nizu. Alternativno, takođe možete napajati i muzičko kolo u rođendanskim čestitkama ili male motore sa ćelijama.

Učenici mogu sprovesti brojna istraživanja sa ovim ćelijama. Na primer kako proizvedena struja ili napon varira sa:

• Antocijaninima iz različitih izvora
• Biljnim pigmentima koji ne spadaju u antocijanine
• Koncentracijom rastvora antocijaina
• Površinom sloja titanijum dioksida izloženoj antocijaninima
• Temperaturom ćelije
• Frekvencijom svetla (korišćenjem obojenih filtera)
• Intenzitetom svetlosti (koriseći mikroskopsku lampu kao izvor svetlosti)
• Zavisno da li su ćelije vezane serijski ili paralelno.

Detalji o hemiji koja stoji iza ovih ćelija se mogu pronaći na online članku^w4.

2) Određivanje nivoa atmosferskog ugljen-dioksida

CO₂ je najrasprostranjeniji poznati gas fenomena staklene bašte i jedan od glavnih izvora zabrinutosti u diskusijama o klimatskim promenama. Možemo se zapitati kako se količine CO₂ mere u uzorcima vazduha, naročito ako su njihove koncentracije jako niske: odgovor je infra-crvenom spektroskopijom. Molekuli ugljen dioksida apsorbuju određene delove infra-crvenog zračenja, koji utiču na kovalentne veze između ugljenikovih i kiseonikovih atoma, u zavisnosti od energije. Niske energije dovode do stvaranja veza, a visoke energije izazivaju slabljenje veza. Frekvence na kojima se ovo dešava su u infra-crvenom delu elektromagnetnog spektra (između 4000 i 650 talasnog broja). Talasni broj je recipročan talasnoj dužini i ova jedinica se često koristi u infra-crvenoj sperktrografiji. Ovaj efekat se može koristiti za određivanje koncentracija CO₂, kao što sledi u objašnjenju.

Postoje 2 glavna tipa CO₂ senzora (videti Harrison et al, 2006). Skuplji istraživački senzori potiskuju vazduh kroz senzor, dok se jeftiniji aparati oslanjaju na difuziju vazduha. Vazduh ulazi u apsorpcionu ćeliju, koja je u stvari mali zatamljeni cilindar sa senzorima.

Na jednom kraju apsorpcione ćelije, postoji izvor infra-crvene svetlosti spojen sa fiksiranim filterom talasne dužine, kako bi se obezbedio uzani trakasti izvor infra-crvenog svetla oko 2350 cm^-1 (talasni brojevi). Na drugom kraju cevi, nalazi se infra-crveni detektor ili brojač fotona koji meri intenzitet infra-crvene svetlosti. Što je više molekula CO₂ u uzorku vazduha, više infra-crvenog zračenja se absorbuje u ćeliji, i manje infra-crvenog zračenja stiže do detektora. Za male absorpcije, Ber-Lamberov zakon nam kaže da

koncentracija = (1-(I/I₀)) / σl
gde:

• l je dužina puta (dužina ćelije)
• σ je presek absorpcije CO₂ na korišćenoj talasnoj dužini, poznata po velikoj tačnosti
• (I/I₀) je presek absorpcije CO₂ na korišćenoj talasnoj dužini, poznata po velikoj tačnosti (I₀)

I₀ se ne meri pri svakom očitavanju, ali će se meriti često da bi se proverilo da nema vidnih kolebanja u intenzitetu infra-crvene svetlosti insturmenta.

Učenici koji su koristili ovakve senzore, pozajmljene od Univrziteta u Bristolu, iznenadili su se da je izmerena količina CO₂ u praznoj učionici bila veća od one napolju, pa je i za više od 0.037% (0.037/100 x 1 x 10⁶ = 370 ppm) koncentracja atmosferskog CO₂ bila veća u nekim udžbenicima. Čini se da nove školske ustanove u Engleskoj imaju prozore koji nisu predviđeni za otvaranje, tako da se izdahnuti CO₂ akumulira!

CO₂ senzori koje mi koristimo sa učenicima su podešeni na CO₂ ν₃ asimetrične veze na talasnom broju 2349 (Harrison et al, 2006). Asimetrična veza nastaje kada dvostruke veze između ugljenika i kiseonika (C=O) apsorbuju energiju, i jedna od dve veze se izdužuje, dok se druga skraćuje (pogledati dijagram). CO₂ može imati samo jednu asimetričnu vezu. Ova specifična veza je važna jer je ugljen dioksid jedini molekul u atmosferi prisutan u velikim količinama koji može apsorbovati 2349 talasne brojeve. Stoga, jedino apsorbcija od strane CO₂ može izazvati promenu u intenzitetu infra-crvene svetlosti na ovoj talasnoj dužini.

Bristolska ChemLabS poziva da je kontaktiraju škole širom Evrope koje bi želele da pozajme jedan od ovih merača koji se lako koriste za istraživanje koncentracije ugljen-dioksida u uzorcima vazduha. Iako su aparati dostupni na tržištu, veoma su skupi i zbog toga obično nisu dostupni školama ili fakultetima.

Download

Download this article as a PDF