Το νερό που ανάβει φωτιές

Μία από τις πιο συνηθισμένες χρήσεις του νερού στην καθημερινή ζωή μας είναι για να σβήσουμε μια φωτιά. Ετσι φαίνεται εντελώς παράδοξο το ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε νερό για να ανάψουμε μια φωτιά. Και όμως, όχι μόνο είναι δυνατό, αλλά και έχει ήδη ξεκινήσει η έρευνα για τη συστηματική χρήση αυτής της διαδικασίας σε πρακτικές εφαρμογές, όπως για παράδειγμα στην καύση των αστικών στερεών αποβλήτων. Αλλά για να μπορέσει το νερό να αποκτήσει αυτήν την παράδοξη ιδιότητα πρέπει να θερμανθεί πάνω από τους 373 βαθμούς Κελσίου και να συμπιεσθεί πάνω από τις 218 ατμόσφαιρες. Σε αυτές τις ακραίες συνθήκες το νερό μετατρέπεται σε υπερκρίσιμο ρευστό, δηλαδή σε μια άγνωστη στους πολλούς κατάσταση της ύλης που είναι ένας παράξενος συνδυασμός υγρού και αερίου.

Από το σχολείο και την καθημερινή εμπειρία μας γνωρίζουμε τρεις διαφορετικές καταστάσεις της ύλης, τη στερεά, την υγρή και την αέρια. Πολλές φορές αναφέρεται ως τέταρτη κατάσταση της ύλης το πλάσμα, που είναι αέριο αποτελούμενο από ιονισμένα άτομα και ηλεκτρόνια και έχει ορισμένες ασυνήθιστες ιδιότητες. Ομως υπάρχει και μια πέμπτη κατάσταση της ύλης, άγνωστη ίσως στο ευρύ κοινό αλλά με ασυνήθιστες, και αυτή, ιδιότητες, τα υπερκρίσιμα ρευστά. Η ανακάλυψη της ύπαρξης αυτής της κατάστασης έγινε σχετικά νωρίς, το 1822, από τον γάλλο βαρόνο Σαρλ Κανιάρ ντε λα Τουρ, γνωστό στους περισσότερους από την εφεύρεση της σειρήνας συναγερμού. Αυτός έκανε πειράματα με την εκτόξευση πέτρινων βλημάτων από κανόνια της εποχής και είχε παρατηρήσει ότι ο ήχος του βλήματος που κινείται στην κάννη εξαρτάται από τη θερμοκρασία του υγρού ή του αερίου το οποίο περιέχεται σε αυτήν. Συγκεκριμένα, πάνω από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία δεν υπήρχε καμιά διαφορά αν η ουσία που περιέχεται στην κάννη βρίσκεται αρχικά σε αέρια ή υγρή κατάσταση. Συμπέρανε λοιπόν ότι σε μεγαλύτερες από αυτήν τη θερμοκρασία και για μεγάλες πιέσεις, όπως αυτές που αναπτύσσονται στην κάννη ενός κανονιού κατά το χρονικό διάστημα της εκτόξευσης του βλήματος, αέρια και υγρά μετατρέπονταν σε μια νέα, ενιαία, κατάσταση της ύλης, αυτήν που σήμερα ονομάζουμε υπερκρίσιμη.

To εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στο Λέντβιτσε της Τσεχίας χρησιμοποιεί υπερκρίσιμο νερό

Στην υπερκρίσιμη κατάσταση οι διάφορες χημικές ουσίες αποκτούν νέες και ενδιαφέρουσες ιδιότητες. Για παράδειγμα, όπως ήδη αναφέρθηκε, το υπερκρίσιμο νερό ευνοεί την καύση οργανικών ουσιών διαλυμένων σε αυτό, αν παράλληλα διοχετευθεί στο διάλυμα και οξυγόνο. Το βασικό χαρακτηριστικό αυτής της διαδικασίας είναι ότι συμβαίνει ταυτόχρονα σε όλο τον όγκο του υπερκρίσιμου ρευστού και όχι μόνο στην επιφάνεια της καύσιμης ύλης, όπως συμβαίνει στη συνηθισμένη καύση π.χ. πετρελαίου στον ατμοσφαιρικό αέρα. Ο λόγος αυτής της διαφοράς είναι ότι σε κανονικές συνθήκες τα υγρά στην επιφάνεια της Γης τείνουν, λόγω της βαρύτητας, να συγκεντρώνονται στο χαμηλότερο δυνατό σημείο και τα αέρια διευθετούνται πάνω από τα υγρά. Ετσι σχηματίζεται μια επιφάνεια που διαχωρίζει το υγρό από τον αέρα. Αντίθετα, στην υπερκρίσιμη κατάσταση δεν υπάρχει επιφάνεια που να διαχωρίζει το αέριο από το υγρό, αφού υγρό και αέριο συναποτελούν μια ενιαία κατάσταση.

Οι συνθήκες έλλειψης βαρύτητας «μιμούνται» αυτή την ιδιότητα των υπερκρίσιμων ρευστών, αφού όταν δεν υπάρχει βαρύτητα δεν υπάρχει και αιτία που να στρωματοποιεί τα υγρά κάτω από τα αέρια, και γι’ αυτό πολλά πειράματα που σχετίζονται με υπερκρίσιμα ρευστά και τις δυνατές εφαρμογές τους γίνονται τον τελευταίο καιρό στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. Οπως ήδη αναφέρθηκε, μία από τις εφαρμογές του υπερκρίσιμου νερού που δοκιμάζεται πειραματικά είναι η καύση στερεών αποβλήτων, επειδή συμβαίνει στη σχετικά χαμηλή θερμοκρασία των 370 βαθμών Κελσίου και έτσι αποφεύγεται η δημιουργία ανεπιθύμητων ενώσεων που παράγονται στη συνηθισμένη θερμοκρασία καύσης των 1.000 βαθμών. Το κυριότερο όμως είναι ότι αποφεύγεται η εκπομπή στην ατμόσφαιρα του αέριου διοξειδίου του άνθρακα, η παρουσία του οποίου είναι η βασική αιτία της εντονότερης εμφάνισης του φαινομένου του θερμοκηπίου και της υπερθέρμανσης του πλανήτη μας.

Οι εφαρμογές των υπερκρίσιμων ρευστών δεν εξαντλούνται στην καύση των απορριμμάτων, η οποία άλλωστε είναι ακόμη σε πειραματικό στάδιο. Υπάρχουν πολλές που χρησιμοποιούνται ήδη, και μάλιστα σε ένα μεγάλο εύρος βιομηχανικών δραστηριοτήτων. Μία από αυτές είναι η παραγωγή καφέ χωρίς καφεΐνη και η παραγωγή εκχυλίσματος λυκίσκου από το ομώνυμο φυτό για την παρασκευή μπίρας. Και οι δύο εφαρμογές χρησιμοποιούν διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο μετατρέπεται σε υπερκρίσιμο ρευστό σχετικά εύκολα, αφού απαιτεί ελάχιστη πίεση 73 ατμόσφαιρες και ελάχιστη θερμοκρασία μόλις 31 βαθμούς Κελσίου. Το προτέρημα και στις δύο περιπτώσεις, σε σχέση με την κλασική μέθοδο στην οποία χρησιμοποιούμε οργανικούς διαλύτες, είναι ότι δεν παραμένουν στο τελικό προϊόν ίχνη από διοξείδιο του άνθρακα, αφού σε κανονικές συνθήκες αυτό μεταπίπτει σε αέριο και απομακρύνεται πλήρως. Οι οργανικοί διαλύτες, αντίθετα, παραμένουν σε ίχνη, τα οποία μπορεί να έχουν βλαπτικές συνέπειες για την υγεία όσων πίνουν συστηματικά καφέ ντεκαφεϊνέ ή μπίρα. Το υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα χρησιμοποιείται επίσης στο στεγνό καθάρισμα ρούχων, όπου αντικαθιστά το τετραχλωριούχο αιθυλένιο, η διαφυγή του οποίου στην ατμόσφαιρα συντελεί στην καταστροφή του στρώματος του όζοντος.

Η ατμόσφαιρα της Αφροδίτης είναι σε υπερκρίσιμη μορφή και άρα δεν μοιάζει με την ατμόσφαιρα της Γης

Υπερκρίσιμο ρευστό μπορεί ακόμη να χρησιμοποιηθεί και στα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος, η απόδοση των οποίων αυξάνεται όσο αυξάνεται και η θερμοκρασία του ρευστού που χρησιμοποιείται για την κίνηση των στροβίλων. Αν η θερμοκρασία είναι αρκετά υψηλή, τότε το ρευστό είναι σε υπερκρίσιμη κατάσταση. Σήμερα υπάρχουν πολλά εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος με καύση γαιάνθρακα, τα οποία χρησιμοποιούν υπερκρίσιμο νερό αυξάνοντας έτσι την τελική απόδοση από 39% σε 45%. Μία άλλη σημαντική εφαρμογή είναι η χρήση υπερκρίσιμης μεθανόλης για την παρασκευή βιοντίζελ από βιομηχανικά ελαιούχα φυτά ή από χρησιμοποιημένα λάδια μαγειρέματος. Η «κλασική» διαδικασία χρησιμοποιεί υγρή μεθανόλη με όξινο ή αλκαλικό καταλύτη, αλλά η χρήση υπερκρίσιμης μεθανόλης είναι πιο αποτελεσματική όταν οι πρώτες ύλες έχουν αυξημένα ποσοστά υγρασίας. Επιπλέον δεν απαιτείται η έκπλυση του καταλύτη στο τελικό στάδιο, έτσι ώστε γίνεται δυνατό να οργανωθεί η βιομηχανική παραγωγή ως μια συνεχής διαδικασία, μειώνοντας το κόστος.

Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι υπερκρίσιμα ρευστά βρίσκουμε όχι μόνο στο εργαστήριο αλλά και στη φύση γύρω μας. Το πιο καλό παράδειγμα είναι η ατμόσφαιρα της Αφροδίτης. Οι αστρονόμοι έχουν υπολογίσει εδώ και δεκαετίες τη χημική σύσταση της ατμόσφαιρας αυτού του πλανήτη –διοξείδιο του άνθρακα (96,5%) και άζωτο (3,5%) –καθώς και τις φυσικές συνθήκες σε αυτήν –θερμοκρασία 460 βαθμούς Κελσίου και πίεση 93 ατμόσφαιρες. Δεν είχε γίνει όμως εξαρχής κατανοητό ότι η ατμόσφαιρα είναι σε υπερκρίσιμη κατάσταση, αφού πίεση και θερμοκρασία είναι πάνω από τα αντίστοιχα όρια υπερκρισιμότητας τόσο του διοξειδίου του άνθρακα όσο και του αζώτου. Ετσι μπορούμε να πούμε ότι η επιφάνεια της Αφροδίτης καλύπτεται από έναν ωκεανό υπερκρίσιμου ρευστού.

Ο κ. Χάρης Βάρβογλης είναι καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.