Grafen, Hel-3, Czarny Fosfor, Wodór, Germanen, Silicen… co jakiś czas naukowcy informują nas o technologiach przyszłości, które już wkrótce zrewolucjonizują Świat. Jednak od czasu pierwszego pozyskania Grafenu w 2004 roku niewiele się w tej materii zmieniło. Dalej korzystamy w zdecydowanej większości ze sprawdzonych surowców, takich jak krzem, ropa, konstrukcje litowo-jonowe czy gaz ziemny. Pomimo tego, apetyt na wykorzystanie substancji, dotąd owianych legendą, rośnie. Już dziś do wyścigu o fotel lidera produkcji zginanych smartfonów wystartowały Samsung, Huawei, LG i wiele innych firm technologicznych. W przypadku takich modeli nie ma mowy o tym, by powstały bez, na przykład, elastycznego Grafenu. Ciągle jednak czekamy na prawdziwe technologie przyszłości — a te, jak na złość, nie chcą nadejść.
Zobacz też: Składane smartfony – dlaczego są takie drogie?
Obietnic więcej niż oferują nam technologie przyszłości
W 2015 roku opublikowałem artykuł, w którym zachwalałem potencjalne, cudowne możliwości wykorzystania Grafenu już w najbliższej przyszłości. Według deklaracji firm technologicznych grafenowe ekrany, baterie, filtry na wodę, a nawet leki na raka, miały być jedynie kwestią nie lat, a paru miesięcy. Silniki wodorowe oraz superszybko ładujące się samochody także byłyby na wyciągnięcie ręki nawet dla przedstawicieli klasy średniej. Z kolei wojny o ropę, według analityków badających kaloryczność Helu-3, miały się zakończyć wraz z przejściem na paliwa wykonane z gazów szlachetnych. Jednak w 2019 roku rokowania wobec tych wszystkich cudotwórczych technologii przyszłości nie są już tak optymistyczne. Mimo to dalej chce się wierzyć, że już niebawem staną się faktem.
Grafen
Największym problemem z wykorzystaniem Grafenu jest jego cena. Po dziś dzień nie udało się odnaleźć takiej metody pozyskiwania, która zapewniłaby produkcję na skalę przemysłową. Grafen to pojedyncza warstwa Grafitu (tego samego, który mamy w ołówkach), a więc taka o grubości 1 atomu. Z tego względu strukturę tej substancji nazywa się często dwuwymiarową. Grafen jako kolejna odmiana alotropowa węgla (poza węglem kopalnianym, grafitem i diamentem), wykazuje niesamowite wręcz możliwości. Jest ultraprzewodnikiem, który praktycznie się nie nagrzewa, a do tego jest niewiarygodnie elastyczny i praktycznie niezniszczalny. Jego odporność na zniszczenia wynika z faktu, że potrafi się samoregenerować. Wystarczy tylko, że w pobliżu znajduje się węgiel lub jego pochodne (na przykład węglowodory).
Do dziś jednak nie udało się zbadać jego wpływu na człowieka, a istnieje ryzyko, że potrafi wchłaniać się do organizmu przez skórę. Jeśli to prawda, obchodzenie się z nim będzie wymagać o wiele więcej ostrożności. To i tak jednak nic w porównaniu z tym, że Grafen zostanie w sferze marzeń tak długo, aż nie uda się opracować jego taniej produkcji. Obecnie najbliżej tego osiągnięcia byli naukowcy w 2017 roku, którzy zdołali przeprowadzić reakcję etylenu z tlenem. Niestety, był to tylko połowiczny sukces — a zamiast Grafenu, uzyskano pył grafenowy. To swego rodzaju kurz, który dopiero należy przekształcić w stabilną płytkę grafenową. Dlatego na ten moment, technologie przyszłości będą musiały się obejść smakiem. Jeśli mowa o Grafenie — jego produkcja jest wciąż zbyt kosztowna.
Zobacz też: Grafen i jego magiczne właściwości
Czarny Fosfor
Po problemach z wytworzeniem Grafenu na masową skalę, firmy technologiczne wielkiej szansy na superwytrzymały materiał upatrywały w Czarnym Fosforze, który również jest dwuwymiarowy, a więc grubości 1 atomu. Jednak w przeciwieństwie do tamtego, posiada tzw. pasmo wzbronione, które pozwala na dowolne zatrzymanie przepływu prądu. Nadaje się zatem do budowy przełączników elektronicznych. Jest to szczególnie ważne z tego powodu, że w wielu urządzeniach elektronicznych potrzebujemy przerw w dostawie prądu. Stosując Grafen, zatrzymanie przepływu prądu jest możliwe tylko przy zastosowaniu dodatkowych rozwiązań, na przykład w postaci Krzemu. Nie po to jednak mielibyśmy wprowadzać technologię przyszłości, aby i tak korygować ją przy użyciu już znanych nam materiałów.
Jednak i tutaj napotykamy na trudną do pokonania przeszkodę. Fosforen (bo tak zwykło się mawiać na czarną odmianę Fosforu) jest bardzo podatny na oddziaływanie z tlenem i wodą. Obecnie naukowcy poszukują sposobów na zmuszenie substancji do jej trwałego niereagowania z innymi cząsteczkami. Szans na sukces upatruje się w kontroli wibracji atomów w każdej poszczególnej warstwie. Na razie również i w tym przypadku, jednak rewolucji technologicznej nie będzie.
Germanem, Silicen i inne technologie przyszłości kończące się na „en”
Występuje obecnie moda na nazywanie wszelkich struktur dwuwymiarowych w taki sam sposób, w jaki nazwano Grafen. Dlatego też, gdy tylko naukowcom udało się otrzymać pojedynczą, jednoatomową warstwę Germanu, ogłoszono hucznie powstanie Germanemu. Gdy udało się ujarzmić Krzem (łac. Silicium), od razu rozpoczęto badania nad Silicenem. Te wszystkie rewolucyjne materiały, które miałyby posłużyć za technologie przyszłości, wciąż nie są osiągalne w stopniu przynajmniej badawczo-naukowym. Nie ma więc co mówić nawet o ich wykorzystaniu przemysłowym. To jednak substancje tak ogromnie ciekawe, że nie mógłbym nie wspomnieć o nich w takim artykule (a nawet w przyszłości poświęcić im nieco więcej czasu w osobnych tekstach).
Silicenowi wróżę najbardziej świetlaną przyszłość, ponieważ Krzem już teraz jest najbardziej popularnym surowcem w nanotechnologii. Gdyby udało się pokonać trudności przy produkcji jego chudego na jeden atom kuzyna, Dolina Krzemowa stałaby się prawdopodobnie najważniejszym technologicznie miejscem na Świecie. Silicen nie utlenia się i nie reaguje z wodą (w przeciwieństwie do Fosforenu). Dodatkowo, idealnie współgra ze wszystkimi konstrukcjami zbudowanymi ze zwykłego Krzemu. Mógłby więc być potencjalnie najlepszym dostępnym półprzewodnikiem, gdyby nie tylko problemy z pozyskiwaniem jego stabilnej wersji. Silicen w odróżnieniu od Grafenu nie jest idealnie płaski. Posiada falistą strukturę, co znacznie ogranicza jego możliwości zastosowania.
Z kolei Germanem być może przyda się naukowcom badającym Kosmos. Z uwagi na jego strukturę, za jego pomocą być może udałoby się udowodnić istnienie hipotetycznych cząstek materii. Pomyślmy, jakim przełomem w nauce byłoby odkrycie ciemnej energii!
Hel-3, czyli wreszcie coś, co ma szanse zakończyć wojny o ropę
Hel jest z reguły Gazem Szlachetnym, który posiada dwa protony i dwa neutrony w jądrze. To jednak tylko najczęściej występujący w przyrodzie izotop. Istnieje także odmiana Helu-3, czyli takiego z jednym neutronem w jądrze mniej. Tak minimalna zmiana sprawia jednak, że podczas reakcji Helu-3 z Deuterem (odmiana izotopowa wodoru) powstaje ogromna ilość energii oraz Hel-4. Jako że Hel-4 jest gazem szlachetnym, można go spokojnie wypuścić do atmosfery, lub wykorzystać w przemyśle, bez ryzyka o zanieczyszczenia. Do tego energii podczas tego procesu powstaje tyle, by według obliczeń około 25 ton wystarczyło, aby zaspokoić roczne zapotrzebowanie na prąd elektryczny w całych Stanach Zjednoczonych!
Na ziemi występuje jedynie około 10 kg Helu-3. To tak śladowa ilość, że… właściwie nie byłoby o czym mówić, gdyby nie to, że ogromne jego ilości występują uwięzione w glebie księżycowej. Szacuje się, że z zaledwie 200 ton gleby na Księżycu bylibyśmy w stanie uzyskać aż tonę Helu-3. Patrząc na to, że takich ton Helu-3 znajdują się na Księżycu miliony, jego wykorzystanie byłoby w stanie zaspokoić energetyczne wymagania Świata… na lata! To jednak nie koniec — zasoby Helu-3 na Księżycu przewyższają 10 razy potencjał energetyczny wszystkich paliw kopalnianych na Ziemi (!!).
Technologia pozyskiwania Helu-3 dopiero raczkuje, ale już dzisiaj zauważyć można wyścig na Księżyc ziemskich supermocarstw. Przykładem niech będą Chiny, USA, czy Rosja. Pierwszy na mecie, który będzie w stanie wykorzystać zasoby Księżyca na skalę przemysłową, być może w bardzo krótkim czasie stanie się mocarstwem samowystarczalnym energetycznie. Do tego właściwie bez ponoszenia olbrzymich kosztów. Zamontowanie odpowiedniej infrastruktury na Księżycu będzie w kolejnych latach kluczowe. Samo przewiezienie superlekkiego Helu na Ziemię nie będzie stanowić wielkiego wyzwania.
Substancji zasługujących na miano technologii przyszłości jest więcej — i z całą pewnością każde z nich zasługuje na osobny artykuł. Chciałbym jednak wiedzieć, czy jest w ogóle zapotrzebowanie na takie teksty. Wtedy możecie być pewni, że jeszcze nie raz weźmiemy pod lupę technologie przyszłości.
Źródła:
Yt/Nauka to lubię, Yt/Niesamowite Fakty, Młodytechnik.pl