TÜ noorteadlane loodab vesinikauto hinna alla lüüa

Tartu Ülikooli teadlane Sander Ratso töötas välja uudse materjali, mis võib vesinikauto taskukohasemaks teha. Süsinik-nanotorudest katalüsaator-materjal on läbinud edukad testid nii Soomes kui USA-s. Kirjutab Katre Tatrik.

Ratso (26) on ambitsioonikas keemik, kelle magistritöö tulemused ilmusid mitmetes rahvusvahelistes teadusajakirjades. Olgu öeldud, et tavapäraselt on see nõutud alles doktoritööde puhul. Kuid veelgi enam – tema arendustöö võib lahendada suure probleemi, millega vesinikautode tootjad praegu silmitsi seisavad.

Ratso – noor ja maailma paremaks paigaks muuta sooviv teadlane – on loonud materjali, mis võiks vesinikautode olulise komponendi, kütuseelemendi tootmise oluliselt odavamaks muuta. Kas see tähendab, et elame tulevikus linnades, kus liiklevad ainult sellised autod, mille heitetorudest väljub vaid veeaur?

Keskkonnasäästlikke vesinikautosid toodetakse maailmas aina enam. Toyota Mirai, Hyundai Nexo ning Honda Clarity Fuel Cell on näited vesinikautodest, mis juba praegu mitmel pool ringi vuravad. Nende põhiline eelis sisepõlemismootoritega masinate ees on see, et nende väljalasketorust väljub vaid veeaur, mis on keskkonnas juba niigi olemas.

Vesinikautod edestavad elektriautosid aga jällegi kiirema laadimisajaga. Vesinikauto saab n-ö laetud vaid paari minutiga ja see toimub sarnaselt sisepõlemismootoriga autode tankimisele, lihtsalt naftasaaduste asemel lastakse paaki vesinik. Väärib märkimist, et ühekordse laadimisega läbib vesinikauto oluliselt pikema vahemaa kui elektriauto, mis vajab sagedasemat laadimist. Vesinikuga tangitud autoga saaks sõita näiteks Tallinnast Riiga ja tagasi.

Suure rõhu alla kütusepaaki suunatud vesinik annab vesinikautole jõu tänu kütuseelemendile. Kütuseelemendi katoodil toimub hapniku redutseerumine ja anoodil vesiniku oksüdatsioon – mõlema protsessi tulemusena tekib sõidukit liikuma panev elekter.

Just hapniku elektrokatalüütilist redutseerumist uuris Sander Ratso ka oma magistritöös. See on praegusel ajal üks tähtsamaid elektrokeemilisi reaktsioone. Selline reaktsioon toimub madalatemperatuursete kütuseelementide katoodil ehk ühel keemilise vooluallika elektroodidest.

Protsessi aeglane kulgemine on peamine põhjus, miks muidu tõhusaks peetud ja paljukiidetud kütuseelemendist pole ikka veel laiatarbekaupa saanud. Selleks, et hapniku redutseerumist kiirendada, kasutatakse praegu kütuselementides katalüsaatorit, mis on tehtud ülikallist plaatinast.

Plaatina on aga teatavasti kullaga samas hinnaklassis olev väärismetall ning ajab seetõttu süsteemi hinna väga kõrgeks. Selle väärismetalli hind moodustab koguni üle poole kütuseelemendi maksumusest.

Hinna poolest kullale sarnanev plaatina ongi üks peamine põhjus, miks vesinikautod on jäänud seni vaid kalliks nišitooteks. Näiteks Toyota Mirai maksab ligikaudu 57 500 USA dollarit.

Plaatina kasutamisel on teinegi suur puudus. Juhul kui kogu maailm hakkaks sellest massiliselt kütuseelemente tootma, muutuks selle suurtes kogustes kättesaamine väga keeruliseks. Nimelt asub üle 80% maailma plaatinast Lõuna-Aafrikas Bushveldi kompleksis ja suur osa maapinnale kõige lähemal olevatest varudest on sealt juba välja kaevandatud.

Uudne ja tõhus materjal

Probleemile pakub mõistliku lahenduse aga TÜ doktorant Ratso. Tänu tema teadustööle võivad tulevikus ka vesinikautod muutuda taskukohaseks laiatarbekaubaks.

Ratso uuris magistritöös ühte varianti plaatina asendamiseks. Ta valis selleks lämmastiku ning siirdemetallidega dopeeritud süsinik-nanotorud ja on nüüdseks loonud nendel süsinik-nanotorudel põhineva uudse materjali, mis võib tulevikus kütuseelementides plaatina asendada ning seeläbi vesinikautod odavamaks muuta.

Võimalik, et tulevikus on vesinikautod odavamad kui kunagi varem, sest liiguvad tänu Ratso ja tema kolleegide loodud madalahinnalistele kütuseelementidele, milles on kallis plaatina asendatud odava katalüsaator-materjaliga.

Suur hinnavõit

See uudne katalüsaator-materjal koosneb süsinik-nanotorudest, mis sisaldavad lisandina lämmastikku ja mitteväärismetalle (rauda ja koobaltit).

„Süsinik-nanotorud on süsiniku vorm, mis sarnaneb igapäevaselt tuntud grafiidile,” selgitas ta. „Kui grafiidile on iseloomulik planaarne grafeeni kihtidest koosnev struktuur, siis süsinik-nanotorude puhul on grafeeni kihid justkui rulli keeratud. Nii moodustuvad mõnekümne nanomeetrise läbimõõduga torukesed.”

Keemilist protsessi dopeerimist kirjeldas ta nii: „Lämmastiku ning siirdemetallidega dopeerimise puhul asendatakse grafeeni kihtides mõned süsinikuaatomid lämmastiku ning metallidega ja see annabki süsinik-nanotorudele katalüsaatorina suure aktiivsuse.”

Lämmastikuallikana kasutas Ratso katalüsaatori valmistamisel ditsüaandiamiidi. See on aine, mida lisatakse ka väetistele ja mille kilohind jääb mõne euro kanti. Võrdluseks ütleb ta, et plaatina ühe untsi ehk umbes 31,1 grammi hind on praegu 1000 USA dollari ringis ja ühe vesinikauto kütuseelemendi tarvis kulub seda väärismetalli ligi 30–60 grammi.

Tänu nendele kolmele suhteliselt odavale komponendile – süsinik-nanotorud, lämmastikku sisaldav ühend ja mitteväärismetallid – saab kütuseelementide katalüsaatoreid sünteesida märksa madalama hinnaga kui on praegu turul olevad lahendused.

Edukad eksperimendid 

Uus katalüsaator-materjal on läbinud juba testid ka Soomes Aalto Ülikoolis ning USA-s Arizona Riiklikus Ülikoolis. Sealsed teadlased katsetasid eestlaste odavat süsinik-nanotorudest katalüsaatorit praegu olemasolevates kütuseelementides ning leidsid, et Ratso oma toimib samaväärselt kallite kommertsiaalsete plaatinakatalüsaatoritega.

Testide tulemused kinnitavad, et Tartu Ülikoolis loodud uudse ja odavama katalüsaator-materjaliga kütuseelemendi puhul on tegemist lootustandva alternatiiviga, mis võib vesinikautode tootmise märksa ökonoomsemaks muuta. Seega, kui tartlaste loodud uudne katalüsaator masstootmisse jõuaks, oleks selle hind seni kasutusel olevatest variantidest oluliselt odavam. Võimalik, et koguni kümneid kordi odavam.

Ent seda, kas ja millal vesinikautod taskukohasemaks muutuvad, pole Ratso sõnul võimalik veel ennustada, sest soodsamaid lahendusi tuleks leida veel ka teistele vesinikauto osadele. Selle nimel töötavad paljud teadlased nii Eestis kui ka mujal maailmas.

„Oleme valmis teinud 6,25-ruutsentimeetrise kütuseelemendi, mis töötab suhteliselt hästi. Testide tulemused tõestasid, et meie loodud elemendi puhul on tegemist lootustandva alternatiiviga,” kinnitas keemiamagister.

Ta jätkab süsinik-nanotorudel põhinevate katalüsaatorite uurimist doktorantuuris ja püüab nende katalüütilist aktiivsust plaatinast veelgi kõrgemaks tõsta. Peale selle tahab ta parandada süsinik-nanotorude stabiilsust. „Töötame selle nimel, et meie kütuseelement ei kaotaks ajas liiga kiirelt oma töövõimet ja neid oleks võimalik ka päriselt kütuseelementide katalüsaatoritena kasutama hakata.”

Kui see õnnestub, annaks Eesti teadus suure panuse vesiniku- kui tulevikutehnoloogia odavamaks ja paremaks muutmiseks. Tegemist võiks olla tõelise läbimurdega sellel alal. Teadlased ise pole veel kindlad, kas nii julgete mõtete väljendamiseks on aeg juba küps, kuid usuvad, et õnnestumise korral võiks riigi majandusele sellest tulu tõusta küll.

Mis on kütuseelement?

• Kütuseelement on seade, mis võimaldab keemilise energia otsest muundamist elektrienergiaks.
• Kütuseelemendil kui keemilisel vooluallikal on suur eelis fossiilsete kütuste põletamisel põhinevate tehnoloogiate ees, sest element toodab energiat efektiivsemalt kui traditsioonilised lahendused.
• Viimasest ehk veelgi tähtsam on tõsiasi, et kütuseelement toodab energiat saasteaineid ehk emissiooni tekitamata. Kütuseelemendil sõitva auto väljaheitetorust tuleb ainult veeauru.
• Madalatemperatuuriline kütuseelement vajab kütuseks puhast vesinikku või metanooli. Selliseid kütuseelemente saab kasutada mootorsõidukites, kodustes kütte- ja elektritootmissüsteemides ning kaasaskantavates elektritarvikutes, nagu näiteks nutitelefonid ja sülearvutid.
• Madalatemperatuurilised kütuseelemendid vajavad oma tööks – sealhulgas hapniku elektrokatalüütiliseks redutseerumiseks – väga head reaktsiooni kiirendavat materjali ehk elektrokatalüsaatorit.