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.

Slika dobijena od Alohaspirit /
iStockphoto

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 antocijaniniw1, 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 putaw2 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 Mansolarw3, 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:

A Grätzel cell.
Slika dobijena od Marcus Medley, Bristol ChemLabS
  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.
uvećani dijagram Gracel ćelija.
Slika dobijena od Nicola Graf

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 člankuw4.

2) Određivanje nivoa atmosferskog ugljen-dioksida

Stvaranje veza i istezanje.
Kliknite na sliku da biste je
uvećali

Slika dobijena od Marcus
Medley, Bristol ChemLabS

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)
Uvećan senzor ugljen
dioksida

Slika dobijena od Bristol
ChemLabS

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.

Dijagram aprosrcione ćelije CO2 senzora.
Slika dobijena od Bristol ChemLabS

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

References

Web References

Resources

Author(s)

Duddley Shallcross je profesor hemije atmosfere, Tim Harison je nastavnik saradik u školi, Linda Sellou i Steve Henshaw su nastavnici saradnici na postdoktorskim studijama u Hemijskoj školi, na Univerzitetu u Bristolu, UK. Školski nastavnik saradnik je pozicija srednjoškolskog profesora koji treba da bude veza između srednjih škola i fakulteta, i da koristi sredstva Hemijske škole u promociji hemije regionalno, nacionalno i internacionalno. Za više informacija o modeliranju klimatskih promena ili o ulozi nastavnika saradnika, molimo kontaktirajte Duddley Shallcross-a (d.e.shallcross@bristol.ac.uk) ili Tim Harrison-a (t.g.harrison@bristol.ac.uk).


Review

Ovaj članak je dobra dopuna predhodnoj trilogiji članaka o klimatskim promenama od istih autora o modeliranju klime (Shallcross et al, 2008a) i eksperimenata u učionici (Shallcross et al, 2008b, 2009). Ovog puta, autori ističu tehničku stranu problema klimatskih promena. Oni predlažu praktičnu aktivnost kao moguću alternativu običnim solarnim ćelijama i izučavanju CO2 u različitim okruženjima korišćenjem profesionalne opreme koju nude kao pozajmicu školama.

Preporučujem nastavnicima hemije u srednjim školama ovaj niz članaka koji tragaju za kompletnim nizom didaktičkog materijala koji se odnosi na složenu temu koja se tiče klimatskih promena, globalnog zagrevanja i energetskih resursa. Stil kojim je pisano je dovoljno jednostavan za one kojima engleski jezik nije maternji jezik, a reference omogućavaju dalja saznanja o toj temi preko interneta. Članak je takođe bitna početna tačka za planiranje stimulacionog nastavnog programa interdisciplinarne nastave u oblasti nauke.

Moguća pitanja kojima se pokazuje razumevanje gradiva uključuju:

  1. Koja od ponuđenih izjava o antocijaninima je tačna?
    1. mogu vršiti veštačku fotosintezu
    2. mogu vrštiti fotosintezu u biljkama
    3. upotrebljavaju se u tanko-filmskim ćelijama
    4. oni su hemijski stabilni
  2. Koja od ponuđenih izjava o titanijum dioksidu je netačna?
    1. ima ulogu poluprovodnika
    2. snabdeva 3D postolje molekulima boje
    3. mora biti pečen na staklenoj površini
    4. elektro provodljiv je
  3. Senzori ugljen-dioksida mogu meriti
    1. efekat staklene bašte
    2. absorpciju infra-crvenih zraka
    3. zagađenje vazduha
    4. absorpciju UV zračenja

Giulia Realdon, Italija




License

CC-BY-NC-SA