Kad sam pročitao naslov (Energy from quiescent water) te prvu rečenicu vijesti o novoj vrsti baterije (Energy harvesting from water is of significant interest due to abundance and sustainability of this natural resource.) odmah sam se zapitao: „Kako je to moguće? Kako je moguće dobivati  energiju (energy harvesting) iz mirne vode (quiescent water), dakle one koja ne posjeduje kinetičku energiju? Zar to nije perpetuum mobile?“ Dakako da jest, jer iz vode se nikakva energija na može dobiti. Da bi se mogla dobiti moralo bi se vodu prevesti u neko energijski niže, termodinamički stabilnije stanje. Voda je, znamo, vodikov oksid i to onaj stabilniji (nestabilniji vodikov oksid je dakako vodikov peroksid, H₂O₂). Voda se može oksidirati u vodikov peroksid no za to treba utrošiti energiju. I obratno: vodikov se peroksid može razložiti na vodu i kisik, pri čemu se oslobađa pozamašna energija, toliko velika da se reakcija razlaganja H₂O₂ koristila za pogon plinske turbine u njemačkoj raketi V-2, a danas se koristi za stvaranje reaktivnog mlaza u raketnom rancu.

Živimo u doba medijskog senzacionalizma, pa od njega nije imun ni ugledni znanstveni časopis kao što je Nature Nanotechnology, u kojem sam pročitao rečenu vijest. Ta me je pak vijest uputila na drugi časopis i drugi članak, ovaj put na ozbiljan znanstveni rad kineskih znanstvenika što je izišao u časopisu Advanced Materials. Naslov tog članka je manje senzacionalističan, no još uvijek zagonetan: „Chemical-to-electricity carbon: water device“ (Ugljik [za pretvaranje] kemijske u elekričnu [energiju]: uređaj na vodu).  Kaže li on možda kako ugljik služi samo kao katalizator za pretvaranje kemijske energije vode u električnu struju?

 Znanstvene radove treba, dakako, temeljito čitati - pročitati od početka do kraja. To sam i ja učinio s ovim člankom čudnovata naslova. I što sam saznao? Koji je princip rada neobične baterije?

„Baterija na vodu“ sastoji se, kao i svaka druga baterija, od elektroda i elektrolita. Elektrode čini  konac ispreden do ugljičnih nanocjevćica (nanotube yarn), a kao elektrolit služi voda bilo koje  čistoće (vodovodna, deionizirana, morska). Kao i svaka druga baterija i ova ima dvije elektrode - anodu i katodu. Anoda se sastoji od nemodificiranih (pristine) ugljikovih nanocjevćica (CNT ili, određenije, PCNT), a katoda od djelomično oksidiranih naoncjevćica (OCNT), konkretno takvih koje sadržavaju  8,3 atomskih postotaka vezanog kisika. (Drugim riječima, na svakih 12 atoma ugljika u OCNT dolazi jedan atom kisika). I što se tu događa?

Najlakše ćemo shvatiti princip rada ove, kao i svake druge baterije, ako napišemo njezine elektrodne reakcije. Na anodi, CNT-elektrodi, CNT veže hidroksilne ione uz otpuštanje elektrona: CNT + OH^- → (CNT-OH) + e^-. Te elektrone prihvaća, putem električnog voda kojim su elektrode spojene, katoda koja se također hidroksilira, prelazi u hidroksilirani oblik:  OCNT + H₂O + e^- → (CNT-OH) + OH^-. Nije dakle riječ ni o kakvom dobivanju energije iz vode, nego o korištenju vode za oksidaciju CNT i redukciju OCNT.        

Oprostite mi na gomilanju formula, no ne mogu bez njih ako vam hoću objasniti proces do kraja. Kada se dakle sumiraju navedene reakcije, kada se pokrati sve što se pokratiti dade, dolazi se do jednadžbe  CNT + OCNT + H₂O → 2 (CNT-OH). Što iz nje slijedi? Nešto sasvim jednostavno, a to je da se energija dobiva rekcijom vode, CNT i OCNT. Da bi se pak produkt reakcije, CNT-OH,  pretvorio u reaktante, CNT i OCNT,  treba uložiti neku energiju (toplinsku, kemijsku ili električnu), pa neka nam to bude dokaz kako ovdje nije riječ ni o kakvom perpetuum mobilu, pa ni o korištenju neke tajnovite energije skrivene u H₂O.

No dosta teoretiziranja. Vratimo se praksi, našoj bateriji. Zašto je i za što je ona dobra? Napon joj je samo 0,3 V, što nije velika mana jer se baterije (galvanski članci) mogu uvijek serijski spojiti - uz ukupno povećanje napona, razumije se. Veća je mana mala gustoća snage (95 mW m^-2 u deioniziranoj, 700 mW m^-2 u morskoj vodi): hektar elektroda davao bi snagu od samo jednog kilovata. No to opet ne znači mnogo jer je riječ od izuzeteno tankom materijalu. Nanocijevne niti debele su samo 20 mikrometara (0,02 mm), što znači da bi se rečena snaga, od jednog kilovata, mogla izvući već iz stotinjak kilograma elektroda. No to nije bitno. Nitko ne misli koristiti „bateriju na vodu“ za pogon automobila ili brodova. Što ne znači da bi bila beskorisna. Naprotiv. Ima ona mnoge prednosti.

 Prva je prednost što je gotovo nemoguće zamisliti bateriju koja bi bila manje opasna za okoliš. U ugljikovoj se bateriji ne nalaze ni teški, otrovni metali (olovo, nikal, kadmij)  niti oni zapaljivi (litij), elektrolit ne čine otopine otrovnih soli, lužine ili kiseline. Baterija je toliko bezopasna da je se bez opasnosti po zdravlje može pojesti (bez kućišta), a kada se istroši može se spaliti u peći bez straha od otrovnih plinova. No to nije sve.

Ugljikove nanocjevćice samo su jedan oblik ugljika, grafita (grafitna mreža smotana u valjak). To znači da bi se baterija mogla napraviti i od drugih formi ugljika, primjerice od ugljičnih vlakana. Ona se koriste kao konstrukcijski materijal, pa bi se praktički sve od njih napravljeno (odjeća, obuća, zaštitne kacige, bicikli…) moglo upotrijebiti za dobivanje električne energije: autori spomenutog članka navode primjer displeja za praćenje vježbanja koji se napaja strujom dobivenom iz sportaševa znoja. Ili – moja ideja – uređaj koji javlja da negdje curi voda. No vidjet ćemo.

Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik, sada u mirovini. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti pišući za časopise Prirodu (kojoj je sedam godina bio i glavni urednik), Čovjek i svemir, ABC tehnike, Smib, Modru lastu, a u posljednje vrijeme i za mrežne stranice Zg-magazin te, naravno, BUG online. Autor je i 13 znanstveno-popularnih knjiga od kojih je posljednju, „The Cookbook of Life – New Theories on the Origin of Life“ (izišlu ove godine), napisao na engleskom jeziku. Urednik je rubrike „Kemija u nastavi“ u časopisu Kemija u industriji, za koji piše i redovite komentare. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.