docŽivot v bUdoUcnosti - Chemgeneration.com
download 
Stížnost Transkript
Život v bUdoUcnosti - Chemgeneration.com
Život v budoucnosti Udržitelné technologie, které mohou zachránit naši budoucnost Vzdělávací sada | chemgeneration.com Úvod Vážení čtenáři, pravděpodobně se také denně držíte konceptu udržitelného rozvoje, který je často zmiňován jako zásadní pro naše přežití i pro naši budoucnost, v níž budou hrát klíčovou roli příští generace. Ale pojem udržitelnosti a kroky, které můžeme my a svět dělat, jsou často nejasné i pro nás, pro dospělé. Cílem vzdělávacích materiálů Chemgeneration, které vydala společnost BASF, je komplexně představit metody udržitelnosti v jazyce mládeže, zejména pak vědecký vývoj, který může změnit budoucí města, spotřebu energie a naši výživu. Obecně řečeno: může ovlivnit každodenní život lidí. Tento vývoj se v budoucnosti bude jistě týkat i dnešních žáků a studentů, jelikož pro ně pravděpodobně bude nevyhnutelné, aby používali elektrická auta, žili v pasivních domech nebo využívali solární a větrnou energii. Věříme, že školy a učitelé mohou pro udržitelný rozvoj hodně udělat, pokud představí studentům udržitelnost jako hodnotu a vyvolají v nich zájem o vědu, která, spolu s inovacemi, může hrát rozhodující roli při zachování životního prostředí a udržitelného vývoje. Doufáme, že mladá generace bude dychtivá po vědecké kariéře a bude ve své profesi motivována k práci pro udržitelnost pomocí nejnovějších vědeckých nástrojů. Společnost BASF pro vzdělávání a udržitelnost Mottem společnosti BASF je „We create chemistry for a sustainable future”, tedy „Tvoříme svět chemie pro udržitelnou budoucnost“. To znamená, že BASF jako nedílná součást společnosti provozuje a rozvíjí inovace, přičemž má vždy na mysli zásady a pokyny udržitelného rozvoje. Během 150leté historie naší společnosti jsme učinili řadu technologických objevů, které prosazují udržitelný rozvoj: od inovativních materiálů umožňujících účinnější využívání zelené energie po moderní automobilové díly šetrné k životnímu prostředí. Věříme, že pomocí moderních vědeckých metod můžeme pro udržitelnost udělat mnoho. Jedním z našich cílů je zejména u mladší generace popularizovat koncept udržitelnosti a vědy, která v něm hraje důležitou roli, jelikož klíč k naší budoucnosti leží v našich rukách. Pro žáky a studenty jsme vytvořili několik programů, ve kterých mohou získat vlastní zkušenosti ze vzrušujícího světa vědy a seznámit se s významem chemie v rámci udržitelného rozvoje našeho světa. Přejeme Vám úspěšnou práci a mnoho studentů, v nichž se probudí zájem o vědu. We create chemistry Dětská laboratoř společnosti BASF Jedná se o interaktivní vzdělávací program, který je nabízen speciálně dětem od 6 do 12 let. Dává jim možnost objevit svět chemie prostřednictvím jednoduchých a bezpečných chemických pokusů, které mohou vzbudit jejich další zájem o vědu, zejména o chemii. 2 Vzdělávací webové stránky CHEMGENERATION.COM Hlavním cílem našich webových stránek, které provozujeme již čtyři roky, je vzbudit zájem o vědu a představit roli chemie v našem světě včetně jejích důležitých úkolů vztahujících se k budoucnosti lidstva a trvale udržitelnému rozvoji. Páteří obsahu jsou příběhy o zásadních chemických objevech, ale můžete zde najít také informace o vědeckých inovacích. Program CHEMGENERATION Na základě úspěchu webových stránek Chemgeneration jsme vytvořili roční programy, které motivují 14 až 18leté studenty středních škol k vědeckému myšlení a jednání. V roce 2012 jsme jim prostřednictvím on-line hry s názvem Future City představili vědecké technologie, které jsou nezbytnými součástmi moderního udržitelného města. V roce 2013 jsme pozvali studenty středních škol do soutěže s názvem Řetězová reakce, která prověřila a obohatila znalosti studentů z oblasti fyziky a chemie. Úkolem jednotlivých týmů bylo postavit samostatný stroj pro řetězovou reakci, který prováděl řadu fyzikálních a chemických reakcí. I v akademickém roce 2014/2015 studenty opět pozveme do fascinujícího světa vědy. Vědecká soutěž Hrdinové budoucnosti si klade za cíl nalézt budoucí mladé vynálezce, kteří jsou schopni tvůrčím způsobem používat vědecké inovace pro implementace řešení, která jsou šetrná k životnímu prostředí. Týmy středoškolských studentů musí provést vědeckou rešerši a vytvořit inovativní a udržitelné řešení, které může pomoci vyřešit vybraný problém v jejich místních komunitách. Tímto problémem může být například plýtvání energií ve škole nebo nadměrná produkce odpadu – smysl soutěže spočívá v použití vědeckých metod při řešení daného problému. Nejlepší nápady mohou sloužit jako dobrý příklad, který inspiruje ostatní ke změně a k využívání udržitelných řešení. Příručka udržitelnosti Příručka představuje tři hlavní budoucí globální trendy a obsahuje devět bohatě ilustrovaných vědeckých článků, které ukazují, jak vztah udržitelnosti a vědy na globální úrovni nabízí odpovědi na největší výzvy dnešního světa, jako je například využívání energie nebo vody. Tyto texty představují studentům nejnovější výsledky výzkumů a inovací a poskytují mnoho zajímavých údajů, které vzbuzují zájem o tuto problematiku. Vědecké texty mohou sloužit také jako pomůcka pro učitele, jelikož obsahují nejnovější vědecké poznatky, o kterých možná ani neslyšeli. 3 Rychlý růst populace a měst jako výzva pro výzkum. Struktura měst se mění a metody jejich výstavby jsou stále ekologičtější. Kromě toho je důležité mít ve městech čistý vzduch a udržitelné hospodaření s vodou; věda již v těchto oblastech přišla s některými velmi zajímavými odpověďmi. Přečtěte si o nejmodernějších eko-městech, o fantastických metodách výstavby budoucnosti, o biologickém čištění vody nebo možnostech odsolování mořské vody. Přečtěte si také o důsledcích znečišťování ovzduší a jak proti němu bojovat s použitím nejnovějších technologií. 4 ŽIVOT VE MĚSTĚ 5 Budoucnost vody – jak věda uhasí naši žízeň? Lidé a všechny živé bytosti potřebují k přežití vodu. Vodní zdroje naší planety vzhledem k růstu populace a změnám klimatu neustále klesají, zatímco zbývající část je stále více a více kontaminovaná. Tento článek odhaluje, jak se věda snaží zachovat čistou vodu. S Voda je jednou z nejběžnějších látek na Zemi. Je natolik běžná, že téměř tři čtvrtiny planety, tedy Každá kapka je vzácná Obrovskými vodními zdroji jsou oceány, moře, jezera a řeky. Severní a Jižní pól a ledovce rovněž obsahují vodu, ale ta je uzamčena v ledu. 71 % jsou pokryty vodou J ? Jak je možné, že navzdory obrovským vodním zdrojům trpí lidé v mnoha částech světa nedostatkem vody = Poptávka lidí po vodě však vzrůstá. Dnes musí být voda denně k Odpověď je jednoznačná. 2,5 % Jen malou část, pouze vodních zdrojů Země, totiž tvoří sladká pitná voda. Většina sladké vody se navíc nachází ve zmrzlém stavu, jako stálá vrstva sněhu a ledu nebo vězí hluboko pod zemským povrchem mezi skalami, a je velmi těžké ji získat. dispozici 7 miliardám lidí: k pití, pro přípravu jídel i k mytí. Za několik desetiletí se ale bude muset o mnohem menší množství vody podělit 10 miliard lidí 6 Voda jako majetek Bohaté a vyprahlé země Blízkého východu dovážejí pitnou vodu z kanadských a sibiřských jezer, což znamená, že tato voda prakticky objede celý svět, než se dostane k tomu, kdo ji vypije. Stejně tak i v Americe jsou velká města s miliony obyvatel zásobována vodou pocházející ze vzdálenosti několika stovek kilometrů. Obchodníci, kteří ve velkém měřítku skupují vodní zdroje v Rusku, Kanadě a na Aljašce, se stávají novými milionáři. Poslední výzkumy ukazují, že až 1 miliarda lidí v dnešní době trpí žízní A T. Boone Pickens, největší vlastník vody v Americe, investoval $100 milionů do roku 2050 bude voda do nákupu studní a pramenů. Do budoucna plánuje prodávat pitnou vodu do Texasu, a to za $165 milionů. na planetě stačit pouze pro polovinu lidstva. Ale proč se dostupné vodní zdroje ztenčují? Na jednu stranu z důvodu klimatických změn, jelikož zvyšující se teplota Země má za následek extrémní počasí, častější sucha, zmenšující se plochu jezer a vyschlá povodí. Na druhou stranu se spotřeba vody u lidí, zejména těch, kteří žijí ve velkých městech, dramaticky zvyšuje. Na mnoha místech již spotřeba vody roste rychleji, než kolik mohou dostupné zdroje dodávat. Je zvláštní, že navzdory těmto děsivým faktům spotřeba vody pro pohodlí a luxus neklesá. Zavlažování golfových hřišť například vyžaduje denně tolik vody, kolik by za stejnou dobu spotřebovala polovina obyvatel Země. Celková vodní stopa (m3/rok/obyv.) Spotřeba vody se měří vodní stopou. Vodní stopa národní spotřeby je definována jako celkové množství sladké vody, které se použije k výrobě zboží a služeb spotřebovaných obyvateli národa. 7 ! TIP Šetřete vodu tímto způsobem: • • • • • • Biomimetika: Místo napouštění vany použijte sprchu! N osprchování trvající několik minut spotřebujete poloviční množství vody, než které byste potřebovali k naplnění vany. Při čištění zubů zavírejte vodovodní kohoutek, předejte zbytečným ztrátám vody! Pro zalévání pokojových rostlin nepoužívejte v dovodní vodu, ale využijte zachycenou dešťovou vodu! Vybavte doma sprchové hlavice a umyvadlové baterie spořičem vody! V domácnostech je většina vody vyplýtvána splachováním toalet. Používejte účinné, vícestupňové záchodové nádržky! Neumývejte nádobí pod tekoucí vodou, ale raději jej namočte. Tímto způsobem vám také půjde snadněji umýt! napodobování divoké přírody Zvířata, která žijí v suchých místech, se dokázala daným okolnostem přizpůsobit. V Africe například žije jedinečný brouk, který díky drobným mikrovláknům na zádech zachytává do svého těla vodu z ranního vzdušného oparu. Toto chytré řešení inspirovalo vědce, kteří již pracují na samoplnicí láhvi, jež funguje na podobném principu: láhev je pokryta speciálním nanotechnologickým materiálem, který směruje vlhkost vzduchu dovnitř nádoby. Voda je klíčem k modernímu životu V důsledku rychlé urbanizace se zajišťování vody ve velkoměstech stává stále náročnějším. Bez vody by nebyly žádné místní podniky ani průmysl. Hašení požárů, městské parky a veřejné bazény – to vše potřebuje spoustu vody. . Ve veřejných vodohospodářských systémech je zapotřebí řada trubek, kanálů a čerpacích stanic, aby naše kohoutky byly den co den spolehlivě zásobovány vodou. Do poptávkových tlaků se promítá růst populace a nárůst stravy náročné na vodu, část obyvatel navíc přechází ke stále vyšší spotřebě vody. Jelikož počet obyvatel neustále roste, je třeba nasytit stále více a více lidí. Je málo známo, že rostlinná a živočišná produkce je zodpovědná za většinu lidské spotřeby vody: zemědělství je odpovědné až za 80 % celkové spotřeby vody, což znamená, že se jedná o oblast, kde musí dojít k zásadnímu snížení spotřeby vody. Kolik vody je potřeba k výrobě vašeho oblíbeného jídla? 1 krajíc chleba = 48 litrů vody 1 jablko = 82 litrů vody 1 plátek sýra = 152 litrů vody 1 kousek pizzy = 1 216 litrů vody 1 hamburger = 2 393 litrů vody 1 šálek kávy = 132 litrů vody 1 tabulka čokolády = 1 720 litrů vody 1 kg hovězího = 15 415 litrů vody Z tohoto důvodu hledá řada výzkumných a pokrokových experimentů odpověď na to, jak produkovat dostatek potravin při použití menšího množství vody. Další podrobnosti o tomto tématu naleznete v našem článku „Více jídla z méně vody“. 8 Je mořská voda spasitelem lidstva? Moře a oceány jsou největší vodní zásobárnou na Zemi, Ekonomičtější forma odsolování je založena na reverzní osmóze, ve které je mořská voda protlačována pod vysokým tlakem přes polopropustnou membránu, v důsledku čehož voda ztrácí sůl. Klíčovou roli při zvyšování účinnosti této operace hraje chemie. a proto se lidstvo již dlouho snaží vytvořit ze slané vody vodu pitnou. Toho lze dosáhnout odsolováním. Jednoduchá destilace byla použita již ve 4. století před Kristem, ale složitý proces několikanásobného varu vody, chlazení a kondenzace vzniklých par vyžadoval velké množství energie. Ultrafiltrační membrány Multibore®, vyvíjené dceřinou společností německé firmy BASF, již prokázaly svou účinnost v mnoha odsolovacích zařízeních. Membrána poskytuje bezpečnou bariéru pro nerozpuštěné látky, bakterie, viry a další mikroorganismy a dodává vysoce kvalitní filtrát, a to i v případech, kdy složení původní vody kolísá. Podle prognózy společnosti Global Water Intelligence (GWI), odborníka v oboru, bude v roce 2025 pomocí odsolování uspokojovat své potřeby vody až světové populace. Dnes je to pouze existuje 17 14 % 1 %. V současné době 000 odsolovacích stanic ve 120 zemích světa. Očekává se však, že počet těchto zařízení bude výrazně narůstat. Požehnání z nebe Projektanti budoucích velkoměst se shodují, že moderní megalopole musí různými způsoby recyklovat dešťovou vodu. Nejdelší tradici ve využívání dešťové vody pravděpodobně nalezneme v Jihovýchodní Asii. Slavný japonský mrakodrap Tokijský nebeský strom (Tokyo Skytree), který je vysoký 634 m a je druhou nejvyšší budovou světa, obsahuje v nižších úrovních suterénu obrovské nádrže, které dokáží pojmout kolem 2 600 metrů kubických dešťové vody. Toto chytré řešení přináší vodu zdarma nejen k ochlazování této obrovské budovy, ale i ke splachování toalet. A navíc, zelené střechy budované na městských budovách nevznikají pouze z estetických důvodů. Většina z nich představuje inovativní řešení pro nakládání s dešťovou vodou, které současně zlepšuje energetickou bilanci budovy, kvalitu ovzduší a městskou ekologii. Zelené střechy dokáží absorbovat a recyklovat dešťovou vodu, přičemž se některé polutanty akumulují v rostlinách. Intenzivní zelená střecha je schopna zadržet až 75 % srážek; tímto způsobem také snižuje odtok a množství dešťové vody, která jinak končí v kanalizaci. ? Věděli jste, že… • V současné době se dešťová voda nejvíce využívá v Číně a Brazílii. V těchto zemích se dešťová voda z povrchu střech sbírá pro zajištění pitné vody, užitkové vody, vody pro hospodářská zvířata, malé závlahy a také jako způsob pro doplňování hladiny podzemní vody. 9 Inovativní čištění vody Vážné problémy způsobuje nejen nízká kvantita vody, ale i její nízká kvalita. Asi V celosvětovém měřítku je přímo do řek, jezer či moří bez předchozího čištění vypouštěno zhruba 2,5 miliardy miliardy lidí je nuceno spotřebovávat kontaminovanou vodu a má potíže s každodenním zásobováním čistou vodou. 80 % městských odpadních vod. Situace je obzvláště dramatická ve městech v nově vznikajících a v rozvojových zemích. Velmi znečištěné řeky jsou například v Buenos Aires, v indické Kalkatě se obyvatelé potýkají s fekálním znečištěním a zvýšenou koncentrací arzenu v podzemní vodě. Alarmující je také situace v Číně: ve městech je kontaminováno až 90 % podzemních vod. Velikou výzvou pro projektanty je vytvořit takové postupy, které by na jedné straně zajišťovaly nižší znečišťování vody a na druhé straně vyšší efektivitu čištění znečištěné vody. Německá chemická společnost BASF nabízí celou řadu řešení pro čištění vod hned v několika oblastech. Kationtovou ? emulzi Zetag® lze využít k čištění odpadních vod z průmyslu a pro širokou řadu separací pevného a kapalného skupenství. Její vysoká molekulová hmotnost poskytuje vynikající technické vlastnosti, jež vedou ke snižování nákladů na čištění odpadních vod. Rychle působící tekutina se většinou využívá pro čištění odpadních vod z papírenského a textilního průmyslu, ze zpracování kůží, ale i z potravinářského průmyslu a pivovarů. Membrána Multibore® vyvinutá jednou z dceřiných společností firmy BASF je také vhodná pro čištění odpadních vod, zejména pro filtraci. Voda je protlačována přes velmi malé, 20 nanometrové póry, které jsou 3 000× menší než tloušťka Věděli jste • Pro čištění odpadních vod se používají takzvané živoucí stroje. V těchto systémech neprovádějí rozklad znečišťujících látek pouze bakterie, ale také ekologické společenství 2-3 000 druhů organismů včetně řas, plžů, mlžů, krabů, rostlin a ryb. Tyto organismy spotřebovávají znečišťující látky jako potravu a začleňují je pro výstavbu svého těla. ! lidského vlasu. Jedná se o metodu, která podporuje zdraví a čistotu ve světě vskutku mikroskopických rozměrů. Po takové filtraci je vytvořena homogenní kapalina. Společnost BASF také vytvořila svoji revoluční ultrafiltrační membránu pro přenosný systém čištění vody LifeStraw Family, který je schopen čistit kontaminovanou vodu odfiltrováním virů a bakterií. Tímto způsobem lze rovněž čistit vodu ze špinavých louží, rybníků či řek. Tento systém byl od roku 2008 použit několikrát v oblastech přírodních katastrof, kde lidem v nouzi poskytoval pitnou vodu. TIP Umývání auta bez vody? • Na umytí jediného auta se vyplýtvá až 200 litrů vody. Již však existuje také mytí aut bez vody, kdy se používají jemné chemikálie či pára. Hledejte tato řešení úspory vody v každodenním životě! 10 Chemizmus vody Voda je univerzálním materiálem Voda je univerzálním materiálem: je to vynikající rozpouštědlo, většina důležitých procesů z hlediska života se odehrává ve vodném roztoku, a je to také častý reaktant. V mnoha ohledech se voda chová jinak: například maximální hustoty dosahuje při přibližně 4°C, což je důvodem, proč ledovce plavou na hladině a proč voda zamrzá od shora dolů. Její další zvláštností je viskozita či vnitřní tření, které se s tlakem nemění lineárně: nejprve klesá, potom roste. Viskozita vody je relativně velká a významně se snižuje s rostoucí teplotou. ? Věděli jste • Kde je nejsnazší plavat? Studená voda je viskóznější, takže je obtížnější se v ní pohybovat. Naopak jednodušší je plout po hladině, protože má vyšší hustotu. Jedinečnou vlastností vody je, že díky vysokému povrchovému napětí jsou kapky vody kulovité. Voda je schopná absorbovat, ukládat a uvolňovat velké množství tepla. Tato vlastnost se využívá i v průmyslu, je ale rovněž důležitá v přírodě s ohledem na úlohu vody týkající se vyrovnávání klimatu. Z chemického pohledu je destilovaná voda čistou formou vody, která neobsahuje rozpuštěné látky či stopové prvky, které jsou obsaženy v přírodních složkách minerálních vod. Konzumovat deionizovanou vodu (či vodu s nízkým obsahem iontů) ve velkém množství není zdravé, jelikož jsou pak z těla „vyplavovány“ esenciální ionty. 11 Čistý vzduch – za pomoci vědeckých metod Jedním z nejzávažnějších důsledků zvýšené urbanizace je znečištění ovzduší, které se stalo v posledních desetiletích opravdu znepokojující. Vědci pracují na různých metodách, jak pro obyvatele městských oblastí čistit vzduch, a podpořit tak udržitelný rozvoj neustále se rozrůstajících metropolí. Smog nad městy se stal trvalým jevem Většina lidských činností s sebou nese využívání energie a v důsledku toho i znečišťování ovzduší: elektrárny, průmyslová výroba, zemědělství, vytápění obytných domů a přeprava vypouštějí do ovzduší škodlivé látky, které mají dopad nejen na lidské zdraví, ale i na atmosféru naší planety. Takzvané skleníkové plyny, např. oxid uhličitý (CO2) a metan (CH4), vytvářejí kolem Země jakýsi obal, který zachycuje teplo: teplo z odraženého slunečního záření nemůže atmosféru zcela opustit, což vede k oteplování a ke globálním klimatickým změnám. Oxid uhličitý je přítomen v zemské atmosféře při konstantní koncentraci. Množství oxidu uhličitého ve vzduchu je nyní udržováno dlouhodobě v rovnováze, ačkoli vždy dochází k určitým výkyvům. V důsledku lidské činnosti je tato rovnováha od počátku minulého století posunuta a vědci tvrdí, že množství oxidu uhličitého se nyní velmi blíží k hranici, odkud by již nebylo návratu. Za zpracování oxidu uhličitého, který se nachází ve vzduchu, odpovídají rostliny: využívají jej jako živinu a přeměňují jej na kyslík, který je životně důležitý pro přežití jiných živých tvorů, včetně lidí. Problémem však je, že pokrytí Země rostlinami se také neustále ztenčuje: 7 milionů hektarů je v důsledku růstu měst a produkce dřeva odlesňováno. To rovněž přispívá k nerovnováze. ? Věděli jste • I když jsou pralesy označovány jako plíce Země, většina kyslíku je produkována planktonem a vodními řasami, které žijí v oceánech. Na stav ovzduší má tedy významný vliv také znečišťování vod. Znečištění ovzduší nezpůsobuje jen environmentální zátěž, ale je též extrémně škodlivé pro lidské zdraví. Do ovzduší se dostává také řada dalších škodlivých látek, z nichž například výfukové plyny automobilů mohou způsobovat onemocnění. Je-li například ve vzduchu vysoká koncentrace oxidů dusíku (oxid dusný NO a oxid dusičitý NO2), vzniká v důsledku slunečního záření ozón, který společně s uhlovodíky a pevnými částicemi vede k tvorbě losangeleského smogu nad městy. Podle odhadu Světové zdravotnické organizace (WHO) zemře v důsledku dopadů znečištění ovzduší ročně 700 tisíc lidí. ? Věděli jste • Za globální oteplování je odpovědný také dobytek: v útrobách přežvýkavců je ve velkém množství produkován metan, stejně jako u rozkladu rostlinných zbytků a živočišných výkalů. Produkce jednoho kilogramu hovězího masa přidá k celkovému objemu skleníkových plynů 36 kg oxidů uhličitého – stejné množství znečištění vyprodukuje průměrné evropské auto na vzdálenost 250 km. 12 Mapa světové ekologické stopy ukazuje, že znečištění ovzduší je nejhorší nad hustě obydlenými oblastmi. Zdroj: http://environment.nationalgeographic.com/environment/ energy/great-energy-challenge/global-footprints/ Fakta a čísla 50 % - polovina lidstva je každý den vystavena nebezpečné úrovni znečištění ovzduší. Zdá se, že největším úkolem je snížení množství oxidu uhličitého, čehož je možné dosáhnout dvěma způsoby. Na jednu stranu můžeme významně snížit emise. To však v současné chvíli nevypadá příliš reálně: i když byla přijata důležitá opatření pro snižování používání fosilních energií a pro rozšíření využití alternativních energií, nejsou natolik dostačující, aby během několika let přinesla významnou změnu úrovně znečištění ovzduší. Druhým řešením je najít způsob využití oxidu uhličitého a jeho extrahování ze vzduchu. Tisíce vědců již na těchto řešeních pracují – a nyní již se slibnými výsledky. 13 Zkrocení nepřítele Existují různé přístupy, jak využít oxid uhličitý: od malých procesů až po velká průmyslová řešení. Jen málo lidí si uvědomuje, že chemický průmysl již významná množství CO2 zpracovává. To znamená, že oxid uhličitý produkovaný při průmyslové výrobě, zejména při spalování nebo při chemických reakcích, není uvolňován do vzduchu, ale po vyčištění se používá pro různé účely. Oxid uhličitý produkovaný v těchto procesech se používá k výrobě perlivých minerálních vod, ale také v technologii balení v modifikované atmosféře, při výrobě plastů, jako základní surovina umělých hnojiv, a dokonce i v lékařství. Fakta a čísla Více než 30 miliard metrických tun CO2 vyprodukuje lidstvo každý rok. Oxid uhličitý jako zachránce zelené energie Ačkoli to může napoprvé znít poněkud zvláštně, může hrát CO2, který je obvykle považován za škodlivý plyn, roli při zlepšování účinnosti obnovitelných zdrojů energie. V dnešní době někdy obnovitelné zdroje produkují více elektrické energie, než lze do sítě v daném okamžiku dodat. Uložení takto vyprodukované přebytečné energie je velice nákladné a někdy i nemožné. Nový chemický proces s názvem systém „energie-do-plynu“ (power-to-glas, P2G), jehož jedním klíčovým prvkem je samotný CO2 + 4H2 skleníkový oxid uhličitý, může tento problém vyřešit. Pomocí fyzikálních a chemických procesů lze přebytek energie přeměnit ve dvoustupňovém procesu na zemní plyn (metan), kde je CO2 použit jako reakční složka. V prvním kroku je přebytečná zelená elektřina použita jako energetický vstup pro přeměnu vody (H2O) na vodík (H2) a kyslík (O2). Vodík poté reaguje s CO2 za tvorby metanu (CH4). CH4 + 2H2O Jak je všeobecně známo, metan (hlavní složka svítiplynu) je dobrým úložištěm energie, lze jej snadno přivádět do stávající sítě zemního plynu a v případě potřeby může být použit. Tato metoda je tudíž ekonomickým způsobem ukládání zelené energie. 14 110 milionů – z celosvětových emisí CO2 se asi 110 milionů metrických tun v současné době využívá jako chemická surovina. Podle posledních vědeckých výzkumů by recyklování uhlíku mohlo nejen zmírnit úroveň znečištění ovzduší, ale dokonce vyřešit krizi energetických zdrojů – třemi potenciálními způsoby. Dobrý obchod: použití oxidu uhličitého pro přípravu paliva Zdroj: Společnost pro chemické inženýrství a biotechnologii (DECHEMA) Oxid uhličitý lze použít k výrobě metanolu, který můžeme využívat jako palivo, a to pomocí tzv. uhlíkově neutrální metody. Islandská společnost otevřela svůj první závod, kde vyrábí metanol z CO2 pomocí geotermální energie z horkých pramenů jako přírodních zdrojů energie. Společnost plánuje jednoho dne produkovat z oxidu uhličitého až 50 milionů litrů alkoholu ročně. Ten lze potom používat například k vytvoření energie v palivových článcích nebo může být přimíchán jako příměs do benzínu. Oxid uhličitý jako surovina pro syntetický plyn Dalším řešením je využití oxidu uhličitého jako paliva. Tři německé společnosti (BASF, Linde a ThyssenKrupp) nedávno zahájily projekt výroby syntetického plynu z oxidu uhličitého a vodíku v inovativním dvoustupňovém procesu. V prvním kroku zpracuje nová vysokoteplotní technologie zemní plyn za zisku vodíku a uhlíku. Ve srovnání s jinými procesy produkuje tato technologie méně CO2. Vodík poté reaguje s velkým množstvím CO2 (který pochází z jiných průmyslových procesů) a vzniká syntetický plyn. Tento plyn je klíčovou surovinou v chemickém průmyslu a je také vhodný pro výrobu paliv. Napodobování přírody: umělý list Mladý vědec Julian Melchiori přišel letos se senzačním vynálezem neutralizace oxidu uhličitého: pomocí hedvábí, zvláštního proteinu a látky, která se nachází v řasách, vytvořil umělý list, u nějž fotosyntéza probíhá stejným způsobem jako u skutečných rostlin. Stačí jen světlo a jeho vynález spustí přeměnu oxidu uhličitého z ovzduší na kyslík. Umělý list vypadá skutečně propracovaně a lze jej použít na pokrytí vnějších i vnitřních stěn budov. Tak by mohl neustále snižovat emise oxidu uhličitého ve městech. Vzhledem k tomu, že je umělý list vhodný také pro dlouhodobý život ve vesmíru, může hrát důležitou roli i při vesmírném výzkumu, jelikož vědci nevědí, zda by organické rostliny mimo naši atmosféru přežily a rostly způsobem, jaký by lidé potřebovali. A pokud by lidstvo kolonizovalo vesmír, byly by tyto rostliny schopny žít na jiné planetě a produkovat vlastní kyslík. Z tohoto důvodu se o tento vynález zajímá i NASA. 15 Čištění vzduchu ve velkých objemech Pro cílené čištění ovzduší nad velkými městy byla vytvořena jedinečná technická řešení. Tato řešení nás mohou zbavit dopadů nejen oxidu uhličitého, ale i jedovatých plynů. Německý vynálezce Götz Hüsken například přišel s nápadem potáhnout povrch vozovek oxidem titaničitým, který by při fotokatalytické reakci – jako účinek UV záření ve slunečním světle – rozložil oxid dusičitý znečišťující ovzduší. Při realizaci tohoto řešení by hladina oxidů dusíku v ovzduší mohla klesnout až o 45 %. Vynález nizozemského inovátora Daana Roosegaarda by nebe nad městy téměř doslova „vysál“. Tento vědec plánuje představit řadu parků, které budou skrývat množství měděných cívek, jež jako čističky vzduchu používají statickou elektřinou kladně nabitý povrch pro odsátí uhlíkových částeček z ovzduší. Pilotní projekt se spustí koncem tohoto roku. Očekává se vytvoření 40 m širokého otvoru čistého vzduchu, v němž bude zhruba o 75 % méně znečištění. Daan Roosegaarde má dokonce plány, jak se shromážděnými uhlíkovými sazemi naložit. Část chce zpracovat do formy umělých diamantů, což je alchymistický trik téměř stejně impozantní, jako vysávání smogu. Pokud bude jeho plán úspěšný, může Peking dosáhnout svého cíle a zbavit se smogu již do roku 2017. 16 Moderní vozidla = čistější vzduch Jelikož doprava zodpovídá za 30 % znečištění ovzduší, mohla by se kvalita vzduchu také zlepšit snížením emisí automobilů. Za tímto účelem bylo vytvořeno několik inovativních autodílů, včetně ekologicky šetrných katalytických konvertorů, které vyvinula společnost BASF a které se dnes úspěšně používají ve stovkách tisíc aut. Filtr nainstalovaný ve výfukovém systému se při provozu vyznačuje několikastupňovou chemickou reakcí. Během tohoto procesu jsou tři klíčové složky v emisním systému (uhlovodík, oxid uhelnatý a oxid dusičitý) téměř zcela převedeny na oxid uhličitý, dusík a vodu. Tato renomovaná chemická společnost vyvíjí katalytické konvertory také pro vozidla s naftovým motorem a pro motorky, které rovněž mohou pomoci při snižování koncentrace emisí. Nejnovějším řešením této společnosti zaměřeným na snižování znečišťování ovzduší je PremAir®, patentovaný povlak katalyzátoru, který přeměňuje přízemní ozón, hlavní složku smogu, na kyslík. Tento proces využívá velkého množství vzduchu, které prochází chladičem vozidla. Znečišťování ovzduší způsobené vozidly lze také významně snížit, pokud přejdeme z fosilních paliv na paliva alternativní. Doposud jsou hlavními alternativami tradičních motorových vozidel elektrické a hybridní automobily – vědci ale také postavili auta poháněná vodou (přesněji vodíkem z rozkladu vody) nebo stlačeným vzduchem. Chcete-li se dozvědět více informací o budoucnosti dopravy, přečtěte si náš článek s názvem „Nové perspektivy v dopravě“. Jelikož doprava zodpovídá za 30 % znečištění ovzduší, mohla by se kvalita vzduchu také zlepšit snížením emisí automobilů. 17 „CHEMIE VZDUCHU“ Vzduch je mnohem složitější systém, než si myslíte: jeho hlavními složkami jsou dusík (78 %) a kyslík (21 %), obsahuje však také několik pevných i proměnlivých koncentrací plynných složek z rozličných přírodních i umělých zdrojů. Oxid siřičitý (SO2) může například pocházet z vulkanické činnosti, ale i z výfukových plynů a spalování uhlí. Spalování uhlí má vždy za následek vyšší koncentrace oxidu siřičitého v zimě, což následně vede ke zvýšenému počtu astmatických záchvatů. Vzduch vždy obsahuje vodní páry a kapky vody, v nichž se výše zmiňované plyny rozpouštějí, což způsobuje kyselé srážky. Pro (78 %) N + rozpustné plyny je ale také možná celá řada dalších reakcí. V chladnějších regionech mohou být ve vzduchu přítomny také malé ledové krystalky. Povrch ledových krystalků je vynikajícím katalyzátorem, který také podporuje rozklad ozónu. Mezi ostatními pevnými částicemi jsou partikulované částice (neusazující se), jež jsou pro zdraví nejvíce nebezpečné, tedy částice PM2,5, což znamená partikulované částice o průměru menším než 2,5 mikrometru. Ty jsou vdechovány do plic, čímž přenášejí do těla kovové a organické kontaminanty, které jsou vázané na jejich povrchu. (21 %) O2 + SO 2 18 19 Moderní města budoucnosti Prudký nárůst světové populace má za následek rostoucí počet měst a jejich plochy. Výpočty ukazují, že do roku 2050 bude 75 % populace žít ve velkých megalopolích. Tento očekávaný proces vyvolal mezi vědci diskuzi na téma vhodnosti měst k bydlení. Výzkumní pracovníci vyvíjejí nové technologie, které nám umožní v budoucnosti žít v inovativním a udržitelném městském prostředí, jež rovněž uspokojí sociální potřeby. Města z nového přístupu Máme sklon věřit, že továrny a průmyslové závody jsou odpovědné za znečištění životního prostředí a za rostoucí energetické požadavky, ale není tomu tak: za to jsou odpovědná velká města. Možná je to neuvěřitelné, ale na velká města připadají dvě třetiny z celkové světové spotřeby energie. Nejlidnatější město na světě je v současnosti Tokio, kde žije téměř 13 miliónů lidí, což je 10 % japonské populace. Tato skutečnost vás nepřekvapuje, že ne? Mezi hlavní otázky vědců patří, jaký vývoj by nám pomohl snížit energii používanou v těchto obrovských městech, a jaká metoda by mohla být použita, aby tato přeplněná místa byla více vhodná pro život? doposud pouze architektonickou podívanou a byly obdivovány pouze kvůli své výšce. Nová generace budov je ovšem jiná. Například obří mrakodrap Shard v Londýně není jen obchodní a administrativní budovou, která je v provozu pouze během dne, nýbrž jde o „vertikální vesnici“: jsou zde byty, restaurace a také hotel. Nejvyšší stavba světa, 828 m vysoký Burj Khalifa v Dubaji, nabízí ještě více: jsou zde byty, náměstí, parky, restaurace, hotely a obchody – vše v jedné a té samé budově. Všechny formy společenské zábavy v jediné budově: chcete-li si vypít šálek kávy, nemusíte přecházet do jiné budovy do kavárny, stačí nastoupit do výtahu a přejet do jiného patra. Mnohá řešení leží v budovách. Obrovské mrakodrapy byly až Nejlidnatější město na světě je v současnosti Tokio, kde žije téměř 3 miliónů lidí, což je 10 % japonské populace. 20 Jedno Světové obchodní centrum Jeden z nejvyšších mrakodrapů v Americe i na světě je vysoký 541 m a byl dokončen v roce 2013 v New Yorku. Pomocí zelené technologie společnosti BASF byla vytvořena pevná a odolná konstrukce. Technologie Green Sense Concrete přinesla úspory v oblasti životního prostředí: úspory více než 113 500 litrů sladké vody, které by stačily k naplnění van. 6000 S touto novou technologií lze ušetřit osm milionů kilowatthodin energie, což představuje téměř 340 000 kg fosilních paliv a také přes 5 miliónů kilogramů ušetřených emisí CO2. Projektanti nenavrhují jen inovativní budovy, ale také celé městské projekty. V Jižní Koreji je na 610 akrech vybudováno město Songdo International Business District, které je zamýšleno jako technicky nejvyspělejší a ekologicky nejšetrnější město na světě s obytnými domy, školami, nemocnicemi, kancelářskými budovami a kulturními zařízeními. Je to první město na světě dokonale zasíťované informačními technologiemi, kde lze vše – od objednávek potravin až po lékařské kontroly – provést na dálku prostřednictvím počítačové sítě. Ve městě bude 40 % zeleně, velký význam budou mít stezky pro pěší i pro cyklisty. Parky budou kromě estetického hlediska zabraňovat vytváření městských tepelných ostrovů, kdy je teplota díky budovám zvýšená a přispívá ke zhoršování kvality ovzduší. Celé město je vybudováno na ekologicky šetrných konstrukčních principech, které zahrnují vegetací pokryté zelené střechy, jež zabraňují odtékání dešťových vod a podporují biologickou rozmanitost, energeticky úsporné LED semafory, a dokonce podzemní sběrné nádrže na odpad eliminující potřebu popelářských vozů. Inteligentní naplánování města zajišťuje, že vzdálenosti jsou krátké, a je vytvořen sofistikovaný systém recyklace i ekologicky šetrný systém místní dopravy. Odsolená mořská voda a recyklovaná voda jsou přiváděny do vodovodního řadu, přičemž pokrývají polovinu potřeb města. Obdobná ekologická města se budují v Číně a Indii. Město Masdar Ekologické město, které je celosvětově nejvíce šetrné k životnímu prostředí, se nyní buduje ve Spojených arabských emirátech. Spotřebuje jen čtvrtinu energie a vody, kterou by spotřebovalo obdobně velké město. Za 25 let budou ušetřeny 2 miliardy tun ropy. Jak to? Podle plánů bude nad městem obrovský solární deštník, který bude produkovat energii během dne a na noc se zavře. Elektrárna pomůže každý rok ušetřit přibližně 175 000 metrických tun CO2. Masdar mimo solárních projektů vyvíjí také jednu z největších pobřežních větrných farem. Velký důraz je samozřejmě kladen na materiály budov, u kterých společnost BASF pomohla s inovativními řešeními konstrukce. Například materiály s fázovou změnou integrované do omítek a sádrokartónů nebo polystyren a polyuretan použité pro izolační pěny mohou nabídnout vhodnou alternativu ke klimatizaci. Kromě toho je v povlaku střech použit černý pigment, který absorbuje pouze malé množství infračerveného záření, takže zabraňuje zahřívání tmavých povrchů. Kromě úspor energie se zde také třídí a recykluje odpad, organický odpad se bude kompostovat. Město také zavádí ekologicky šetrné koncepce dopravy. Očekává se, že v době dokončení (do roku 2025) bude mít 40 000 obyvatel a dalších 50 000 bude dojíždět. Konstruktéři kromě navrhování luxusních čtvrtí také přemýšlejí nad slumy bez elektřiny a čisté vody, které jsou výrazně vystaveny účinkům přírodních sil. Inovace mohou zrychlit a zlevnit výstavbu, přičemž stabilní a flexibilní konstrukce mohou lidem vytvořit bezpečné domovy. V Mexico city bylo například postaveno 10 000 nových domů, u nichž byly použity přísady do betonu od společnosti BASF. Tyto přísady výrazně snížily čas potřebný pro tuhnutí betonu, takže stavba byla ve výsledku mnohem levnější. 21 Terraformace – pojďme se přestěhovat na jinou planetu! Lidstvo si uvědomuje skutečnost, že jsme „přerostli“ zemi, a musíme tudíž začít hledat jiná místa pro život na jiných planetách. Až doteď se pojem terraformace (terraforming) objevoval většinou jen ve sci-fi filmech, ale je možné, že lidstvo dokáže v budoucnu měnit atmosféru, teplotu a topografii planet s pomocí vědeckých vynálezů a nových technologií, aby je přetvořilo na planety obyvatelné pro lidi. Ze současně známých planet se z tohoto hlediska jeví jako nejvhodnější Mars, a to navzdory faktu, že je na něm průměrná teplota -60 °C a je tam také méně světla. Stanovené výzkumné skupiny již vyvinuly vícestupňový plán realizace. Nejprve by měla být zvýšena teplota, která by mohla způsobit tání ledu a uvolnění oxidu uhličitého vázaného v půdě. Zrcadla nastavená na orbitě okolo Marsu by mohla dále zvyšovat skleníkový efekt. Poté by planeta byla osázena rostlinami produkujícími kyslík. Výstavba budoucnosti S uvědoměním si otázek životního prostředí a energie jsou inovativní architektonická řešení stále důležitější, jelikož hlavním důvodem znečištění ovzduší ve velkých městech s miliony obyvatel jsou emise škodlivých látek unikající do ovzduší z používání energie v domácnostech. Jako řešení tohoto problému jsou stále běžnější tzv. pasivní domy. Tyto budovy jsou speciální, jelikož byly postaveny z ekologicky šetrných materiálů a pomocí ekologicky šetrných technologií, jež přispívají k uspoření významného množství energie se současným snižováním znečištění životního prostředí. Tento proces je dosažen nejlépe zredukováním, či úplným eliminováním topného systému, pro který se používají moderní izolační materiály. Izolační pěna Neopor společnosti BASF je jedním z těchto materiálů: od ostatních izolačních materiálů se odlišuje tím, že k surovině polystyrenu jsou přimíchány grafitové částice, jež společně vytvoří pěnu odrážející tepelné záření. Důležité je, že pěna neobsahuje halogenované uhlovodíky, takže je také šetrnější k životnímu prostředí. Izolátory vyrobené z tohoto materiálu jsou o 20 % účinnější než jiné izolátory. Proti úniku tepla okny byl vytvořen systém speciálních plastových oken s trojitým sklem, který nabízí o 20 % lepší izolační vlastnosti, pokud je sklo potaženo fólií se speciálními pigmenty od společnosti BASF. Kromě tepelné izolace je rovněž důležitá metoda využití tepla. Pokud jste někdy takovou budovu viděli, pravděpodobně jste si všimli solárních panelů umístěných na střeše. V topných systémech se však kromě solární energie využívá ještě půdní teplo. 22 Stěny jako úložiště tepla Zní to neuvěřitelně, ale společnost BASF našla řešení také pro tuto záležitost! Uvnitř sádrokartonových desek se nachází materiál se změnou fáze, který během dne absorbuje teplo a následně jej během noci využívá. Jak je to možné? Parafín ve formě mikrokapslí do sebe váže teplo, které později uvolňuje. Materiál taje při 23–26 °C a díky fázové změně absorbuje významné množství tepla z okolního prostředí. Pokojová teplota zůstává konstantní. Později během noci – v důsledku poklesu teploty – začne parafín tuhnout a vydávat uskladněnou tepelnou energii do okolního prostředí. Vývoj se nezastaví: podle posledních výzkumů budou ultramoderní izolační materiály schopny transformovat na teplo dokonce i zvukové vlny. Kromě inovativních stavebních materiálů se konstruktéři zamýšlejí také nad vzhledem domů. S využitím nanotechnologie byla vynalezena speciální ochranná vrstva, která zabraňuje ulpívání částic na povrchu, takže se na vnějších stranách budov neukládají nečistoty. Nátěry na zdi od společnosti BASF mají hydrofilní vlastnosti, což znamená, že přitahují vodu. V důsledku toho jsou při silném dešti kapky rozmístěny po celém povrchu stěny a okamžitě vymývají ulpělé nečistoty. Po dešti se zachycený tenký vodní film rychle odpaří, takže se netvoří plísně ani řasy. Díky nanotechnologii nebudeme v budoucnu potřebovat žaluzie, jelikož jsou vyvíjena stále inteligentnější skla, která propouštějí světlo, ale ne teplo. Mezi dvě skla byl experimentálně vložen speciální gel, či byly do skleněného materiálu přimíchány různé sloučeniny, např. halogenidy stříbra, které tmavnou v závislosti na intenzitě světla. V tomto případě však sklo propouští teplo. Výzkum je v tak pokročilé fázi, že byla vyvinuta struktura skla obohacená o oxid niobu. Do této sktruktury byly vloženy nanokrystaly oxidu indiocínatého. Tato kombinace je schopna separovat a regulovat rozptyl viditelného světla a infračerveného tepla. To znamená, že v létě zabraňuje, aby sklem do místnosti pronikalo infračervené tepelné záření, které ale v zimě pronikat může. Tím je výrazně snížena spotřeba energie. Zatím je však výroba této technologie velmi drahá, v budoucnu ale bude možná realizovatelná. 23 ? Věděli jste, že… • Biomimetika představuje sloučení biologie a inženýrství. Jejím hlavním cílem je kopírovat vynálezy přírody na základě pozorování struktur a mechanismů u organismů. Architekti dychtivě zkoumají stavební strategie termitů, protože tyto malé bytosti dokáží vybudovat kopce s otevíracími i zavíracími se komíny určenými pro ochlazování i vytápění, ve kterých může růst jejich hlavní potrava, houba, jež je velmi citlivá na teplotu. Zkopírováním tohoto konceptu by náklady na energie v budovách významně poklesly. Při plánování nové budovy berou projektanti stále více v úvahu zvýšený počet zemětřesení a vyvíjejí proti nim různé technologie. Vytvoření stěn, které jsou odolné proti vibracím, je zásadní. Dosáhnout toho lze instalací pružných dřevěných a ocelových nosníků a sloupů. Kromě toho jsou v základech domů budované ocelové konstrukce, které zajišťují pohlcení vibrací země. Lehké domy a domy z oceli se nezhroutí tak, jako tvrdé cihlové domy. 24 Chytrý beton Hned po vodě je beton nejčastěji používaným materiálem na světě, proto byl jeho vývoj pro společnost BASF tak důležitý. Přísady a opravné materiály betonu usnadňují výrobu betonu, který se často stává odolnějším, takže zdroje i spotřeba energie jsou sníženy. Tyto látky také zvyšují životnost budov a zkracují dobu výstavby. 25 Nábytek nové dimenze Recyklace papíru je na celém světě evidentní. Teď se ještě zamyslet nad tím, že na výrobu jedné tuny papíru je potřeba 300 tun vody! Můžeme už najít knihy, dokumenty a dokonce i toaletní papíry vyrobené z recyklovaného papíru. Vývojáři tuto myšlenku znovu přehodnotili, a tak se na pultech objevil nábytek z papíru. Možná, že to zní neuvěřitelně, ale je rozhodně odolnější, než si myslíte. Nemluvě o tom, že přeprava takového lehkého nábytku vyžaduje méně energie. A po vyhození ho lze znovu použít. Vzhledem k tomu, že nábytkové díly jsou k sobě spojovány lepením a skládáním, lze jej snadno sestavit i doma. Vývojáři společnosti BASF přehodnotili Recyklace papíru je na celém světě evidentní. Teď se ještě zamyslet nad tím, že na výrobu 1 ton dřevěný nábytek z hlediska ochrany životního prostředí a vyvinuli materiál Kaurit@Light na bázi dřeva. Nábytkové desky z něj vyrobené jsou až o 30 % lehčí, přičemž zatížení zůstává stejné. Výrobci upřednostňují nové panely vyrobené z dýhy, pěnového polymeru a pojiva Kaurit@, protože jsou lehčí a přepravní a manipulační náklady jsou tudíž menší. Navíc je zapotřebí menší množství obalů. V budoucích domovech budou hrát plasty stále větší roli. Materiál vyrobený člověkem nás obklopuje ve všech oblastech našeho života. Výrobci nábytku mají tento materiál také rádi, neboť vzhledem k technologii prošel rovněž inovativním vývojem. Společnost BASF vyvinula „ultra“ tekutý plast, který je díky zvláštním nanočásticím při 230 °C ještě dvakrát zředěnější než jiné podobné produkty. Tímto způsobem může být při výrobě ušetřena energie. Při tvarovém lisování plast navíc rychle tuhne, takže se zkrátí celý výrobní proces. Z tohoto materiálu je vyrobena oceněná designová židle MYTO. A co víc – byla vymodelovaná z jednoho kusu plastu, což znamená, že neobsahuje žádné kovové šrouby. Tak designéři vytvořili skutečně ekologicky šetrný, snadno recyklovatelný a silný nábytek s neobvyklým tvarem. potřeba 300 tun vody! papíru je 26 Samoregenerační materiály V rámci oddělení syntetických polymerů vytvořili vědci dva nové typy polymerů. Jedná se o super silné polymery, které mají samoregenerační vlastnosti a dokonce mohou být i recyklované. Světlý pevný materiál s názvem Titan je vytvořen kondenzací paraformaldehydu a oxydianilinu při 250 °C. Druhý typ Hydro je vysoce elastický gel, který se vyrábí při nízké teplotě. Oba polymery jsou recyklovatelné a odolné vůči rozpouštědlům. V kyselém prostředí se však stanou plastickými a je třeba je znovu vytvořit. Nepraskají, a proto mohou způsobit revoluci v oblasti výroby letadel a vozidel, jakož i v celém elektronickém průmyslu. Přetvořením těchto materiálů lze vytvořit novou polymerní strukturu, která je o 50 % silnější a také lehčí. 27 Neplýtvejte odpadem! S inovačními iniciativami rozvoje měst se vědci snaží udělat vše pro to, aby vytvořili udržitelnější svět. Jejich snahy budou ale zbytečné, pokud lidstvo nedokáže změnit životní styl. Lidé, zejména obyvatelé velkých měst, vedou nehospodárný životní styl: používají příliš mnoho energie a vody, vyrábějí velké množství zbytečných věcí, které vedou k převisu nabídky, a tímto způsobem také produkují velké množství odpadu. Naštěstí je tu naděje, jelikož „vedlejší produkty“ (tedy odpad), které vyrábíme, mohou být recyklovány zcela překvapivým způsobem. Jen je třeba být troufalý a kreativní. Vývoj špičkových technologií se projevil také v oblasti nakládání s odpady a centrálních čistíren odpadních vod. Byla již také zahájena modernizace nástrojů používaných pro přepravu a zpracování. V Evropské unii je ročně vyprodukováno 1,3 miliard tun odpadu. Je nezbytné vyvinout a zavést nové a inovativní technologie, aby se produkovalo méně odpadu a aby se zaváděla recyklace, která znamená, že tyto materiály budou znovu transformovány do nových produktů, surovin či energie. Cílem tohoto procesu je šetřit zdroje Země a využívat méně dřeva, vody a energie. V zájmu dosažení tohoto cíle byla vytvořena strategie nakládání s odpady, s níž jsou spojeny 3 hlavní zásady. Podívejme se, co to znamená! Prvním úkolem je snížit množství odpadu a případně zabránit jeho produkci. Dalším je opětovné využití materiálu v původní formě nebo v pozměněné podobě. Třetím je recyklace, což znamená, že je materiál znovu použit v jiné formě. To vše jsou prospěšné a zelené možnosti. Pokud se na ně budou lidé soustředit, můžeme udělat velký krok vpřed a předejít řadě problémů. I vy můžete také přispět, a to denně! Oddělený sběr už sice v domácnostech převládá, avšak ne každý se k němu staví vážně. ? V Evropské unii je ročně vyprodukováno 1,3 miliard Věděli jste, že… • Stlačením PET lahví: přepravní náklady – 75 % množství uvolněného CO2 – 50–90 % lze snížit v důsledku menších nároků na přepravu. Část z nich lze znovu použít v textilním průmyslu jako surovinu pro výrobu oblečení (například fleece). tun odpadu Oddělený sběr je mnohem účinnější než tradiční sběr odpadu, protože umožňuje další zpracování, recyklaci a využití surovin z odpadu. 28 Řešení spočívá ve složení materiálu To také snižuje množství odpadů ukládaných na skládky a prodlužuje životnost skládkového tělesa. Odděleně se sbírají tyto materiály: plast, sklo, kov a papír. Musíme mít na paměti, že použité elektronické přístroje mohou obsahovat škodlivé látky (olovo, rtuť, chrom), které mohou znečistit vodu nebo vzduch a mohou způsobovat další problémy. Nakládání s odpady, které je šetrné k životnímu prostředí, zahrnuje také kompostování, likvidaci a méně výhodný způsob, spalování odpadu. Organický rostlinný odpad se rozkládá v prostředí sám o sobě, ale můžeme jej také použít jako kompost. Aby byl tento proces jednodušší, vytvořila společnost BASF kompostovatelný pytel na odpadky. Jak se ale plastový pytel rozloží? Řešení spočívá ve složení materiálu. Jednou ze složek je částečně kompostovatelný plast na ropné bázi vyvinutý společností BASF, druhou složkou je kyselina polymléčná, která se získává z kukuřičného škrobu. Tato kombinace vytváří flexibilní plast, ze kterého lze vyrábět odpadkové pytle. V průmyslových kompostárnách v kontrolovatelných podmínkách (zvýšená teplota, vlhkost, určitá hodnota kyselosti) přeměňují mikroorganismy, houby a bakterie materiál na biologický odpad, vodu, oxid uhličitý a biomasu, tzn. na cenný kompost. Tento plast slouží tedy nejen jako kompost, ale je také vhodný pro výrobu bioplynu. Bioplyn se tvoří, pokud jsou organické látky rozkládány anaerobními bakteriemi, které nevyžadují pro svůj metabolismus a reprodukci vzduch (kyslík). Plynná směs vyrobená tímto způsobem obsahuje asi 45 až 70 % metanu, který lze vzhledem k vysokému obsahu energie využít. Proto se v mnoha živočišných výrobách uvádějí do provozu biologické reaktory vyrábějící energii pro farmu v duchu soběstačnosti a udržitelnosti. 29 Dům z odpadků Maďarsko přišlo s výrobou plastových desek z odpadu. Nazývají se SYLROCK a jedná se o homogenní materiál, který je odolný vůči kyselinám, zásadám i vodě. Jeho doba rozkladu je 400 let, což znamená, že je skutečně velmi odolný. Jeho možnosti použití jsou nekonečné, například z něj lze vyrábět zahradní a pouliční nábytek. Pro výrobu jedné desky je zapotřebí 340 kg odpadu, což je sice hodně, ovšem naštěstí, nebo ve skutečnosti bohužel, je odpadu všude spousta: jen v Evropské unii čeká na zpracování 1 milion kilotun odpadu. Chemie plastů Z chemického hlediska jsou plasty velice různorodou skupinou s makromolekulární strukturou jako společnou vlastností. Makromolekuly jsou sloučeniny s vysokou molekulovou hmotností, které obsahují jednu nebo více stavebních jednotek. V molekule mohou být až tisíce těchto jednotek spojených dohromady. Molekuly plastů nemají samozřejmě nikdy stejnou velikost, ale existuje průměrná molekulová hmotnost, která se používá k popisu molekuly. Podle tvaru: 1. Lineární Plasty jsou seskupeny podle původu: 2. Rozvětvené 3. Síťované 1. přeměněné z přírodních makromolekul (rostlinné – celulóza, škrob; živočišné – protein) 2. umělé (krokový růst nebo polymerní řetězce) Podle zpracovatelnosti: 1. Termoplasty 2. Termosety 30 V posledních 15 letech se používání biopolymerů zvyšuje více než o 10 % ročně Základní vlastnosti plastu lze upravit pomocí několika přísad, jako jsou změkčovadla, katalyzátory, inhibitory koroze, zpomalovače hoření, plniva/plnidla, maziva, inhibitory stárnutí, atd. V současné době nabývají na významu biologicky rozložitelné polymery, zkráceně biopolymery. Těmi nejběžnějšími jsou škrob a kyselina (poly)mléčná. V posledních 15 letech se používání biopolymerů zvyšuje více než o 10 % ročně. Kyselina polymléčná je slibnou surovinou, která má široké využití. Ve vhodných podmínkách se relativně rychle rozkládá (hydrolyzuje) na jednotky kyseliny mléčné; konečnými produkty přírodního rozkladu jsou voda a oxid uhličitý. 31 Rostoucí populace vyžaduje větší dodávky energie, pro jejichž uspokojení potřebujeme práci vědců. Věda již přišla s celou řadou metod, jak inovativně využívat energii a její obnovitelné zdroje co nejúčinnějším způsobem. Přečtěte si také o revoluci v osvětlení, o svítidlech vyžadujících stále méně energie, o téměř nevyčerpatelných možnostech alternativních zdrojů energie a o energeticky úsporných a ekologicky šetrných metodách v dopravě. 32 CHYTRÁ ENERGIE 33 Přehodnocené zdroje energie Věda může nabídnout obrovskou pomoc v inovativním využívání energie. Jedním z hlavních cílů vědců je vyvinout pro budoucnost alternativní metody využívání stávajících zdrojů energie, které budou efektivnější a šetrnější k životnímu prostředí, s cílem zajistit na Zemi trvale udržitelný rozvoj. Odkud energie přichází a kam odchází? Po tisíce let se lidé mohli spolehnout jen sami na sebe. Později začali využívat stroje poháněné zvířaty. V dnešní době bychom ale jen stěží nalezli nástroj, který by pracoval bez moderního paliva. Kuchyňské spotřebiče, televizory, počítače a osvětlení potřebují elektřinu a naše vozidla potřebují syntetická paliva, která jsou produkována v průmyslovém měřítku. Jediným problémem je to, že k jejich výrobě lidstvo používá fosilní paliva: energii získáváme ze spalování vytěženého uhlí a ropy. Vzhledem k růstu populace a zvyšujícímu se počtu moderních měst se také značně zvýšila naše spotřeba energie: domy potřebují vytápění a chlazení, veřejné budovy a průmyslové podniky vyžadují více a více energie, musí být zajištěna veřejná doprava a v neposlední řadě je také nutné veřejné osvětlení. Na to navíc připadá až polovina energie, kterou město potřebuje. Kvůli rostoucímu využívání energie se energetické zásoby Země pomalu vyčerpávají. Brzy budeme bez fosilních paliv, která nelze snadno zregenerovat, jelikož uhynulé rostliny a živočichové potřebují pro svou přeměnu na energeticky bohaté materiály, minerální oleje a uhlí až tisíce let rozkladu hluboko v půdě. Nemluvě o skutečnosti, že nadměrná spotřeba energie je závažným faktorem znečištění: kouř z továren a výfukových plynů automobilů obsahuje velké množství oxidu uhličitého a různých dalších znečišťujících látek, jakož i skleníkových plynů, které se uvolňují do ovzduší a mají vážný dopad na budoucnost naší planety. Vědci si toto uvědomili již před několika desítkami let, a proto vyzývají každého k energeticky úsporné spotřebě. Vyvíjejí také inovativní a vizionářské energetické koncepty pro budoucnost. Jejich cílem je najít způsoby, jak efektivněji využít stávající zdroje energie a zlepšit schůdnost alternativních zdrojů energie. o velkém množství fosilních paliv, které jsme v minulém století spálili 34 Naše jediná perspektiva: využívaní obnovitelných zdrojů energie Takzvaná obnovitelná energie vyplývající ze vzájemného působení přírodních jevů je v menším měřítku využívána po staletí: energii větru a vody využívají mlýny, solární a geotermická energie se používá pro ohřev vody. Nyní je na čase tato řešení znovu objevit, jelikož v sobě skrývají mnohem více potenciálu a věda nám je pomůže využívat lépe tak, abychom mohli vyrábět elektřinu způsobem šetrnějším k životnímu prostředí. Větrná energie Jedním z obnovitelných zdrojů energie je vítr, který byl v posledních desetiletích nově objeven. Pomocí moderních technologií se staví stále více větrných farem, jež využívají obrovský potenciál větru. V roce 2013 byla kapacita větrné energie 318 GW, což je téměř desetkrát více než před deseti lety. Fakta a čísla Větrná energie je zachytávána a zpracovávána na větrných farmách, kde je možné najít mnoho větrných elektráren vedle sebe. Jejich provoz je velmi jednoduchý: větrné lopatky, které zachycují vítr, jsou připojeny k turbíně vyrábějící elektřinu. Čistá energie tak může být poskytována nejen pro obytné budovy, ale i pro celá města. Mezi zeměmi střední a východní Evropy vyčnívá svou mimořádnou výrobou větrné energie například Rumunsko. V této zemi vzrostla kapacita větrné energie 1,5krát za rok; v roce 2013 zde tedy větrné elektrárny vyrobily 2 599 MW energie. 9 % – Očekává se, že větrná energie do roku 2020 zajistí více než 9 % celosvětového zásobování energií. Aktuální hodnota je cca 2,3 %. 50 % – Dánsko je již světovým lídrem v oblasti větrné energie, téměř jednu třetinu jeho energetických potřeb kryje energie vyrobená větrnými turbínami. Tento poměr brzy vzroste na 50 %. 35 větrných turbínách používá řada inovativních materiálů 90 metrů Účinnost větrných turbín je výrazně ovlivněna materiály a životností větrných lopatek, jelikož ve výšce 90 metrů mohou být větrné mlýny vystaveny rychlosti větru až 300 km/h. Proto inženýři společnosti BASF, německého chemického podniku, vyvinuli high-tech povlak, který je flexibilní, odolný a odpuzuje sluneční UV záření. Ochranný povlak Relest® zůstává stabilní i v extrémních povětrnostních podmínkách a neodlamuje se od lopatek, díky čemuž prodlužuje jejich životnost. To vede k levnější výrobě ekologicky šetrné energie. Kromě toho se ve větrných turbínách používá řada inovativních materiálů společnosti BASF, např. dvousložkový systém, který obsahuje epoxidovou pryskyřici a tvrdidlo pro výrobu listů rotoru či speciální injektážní materiál pro stožáry a základny. Tato vylepšení umožňují výstavbu obrovských větrných turbín: v současné době je rekordmanem větrná turbína s průměrem 127 m, která má 60 m dlouhé lopatky. rychlost větru 300 km/h Sbírání větrné energie nad mraky Odvětví větrné energetiky se rychle rozvíjí: už jsou dokonce ve vývoji nápady, jak využít sílu větru nad mraky. V budoucnu by se pro výrobu energie mohli používat draci, lehká letadla a balóny. Inovativní vzdušná větrná turbína (Wind Turbine Airborne) je jednou z těchto budoucích elektráren. Jedná se o deset stop vysokou válcovitou turbínu naplněnou héliem s vrtulí uprostřed. Héliem poháněné zařízení je schopno vystoupat až do výšky 300 metrů, kde vane silnější vítr, takže zde lze získat více energie. Elektrická energie vyrobená vrtulí je do jednotky generátoru na zemi přiváděna kabelem. 36 Solární energie Další čistou energii představuje solární energie, kterou lze využít díky zvláštním zařízením. Jedněmi z nich jsou solární panely, které přeměňují solární energii na teplo. Dalším takovým zařízením je solární článek, jenž generuje elektřinu ze sluneční energie. V dnešní době již není překvapující, když vidíme na střechách domů tyto skleněné zázraky, jelikož jejich montáž se stala ekonomičtější a lze je snadno připojit k elektrické rozvodné soustavě domu. Využití solárních panelů v našich domovech je dobrým počinem: šetří peníze za účty za elektřinu a dokonce může i vydělávat. Přebytek energie, který lidé vyrobí, ale nespotřebují, mohou dodavatelé elektřiny odkoupit. Využití solární energie v průmyslovém měřítku je ještě výhodnější. Proto jsou v zemích, kde slunce svítí hodně, vybudovány obrovské solární farmy, kde lze zřídit až 120 000 solárních článků schopných vyrobit energii až 2 000 MW ročně. Toto množství je dostatečné na zásobení 700 tisíc domácností elektřinou. Jak se ale elektřina ze slunečního záření přesně vyrábí? Solární či fotovoltaický článek je elektrické zařízení, jež přímo převádí energii záření na elektřinu prostřednictvím tzv. fotovoltaického jevu. Proces přeměny nejprve vyžaduje materiál, který sluneční energii absorbuje (foton), následně vybudí elektron do vyššího energetického stavu a tento vysoce energetický elektron pak proudí do externího obvodu. Fotovoltaická technologie nebývala ani dostatečně účinná, ani nákladově efektivní, aby mohla konkurovat ostatním zdrojům energie. Proto si vědci dali za úkol vytvořit takové řešení, které pomůže solární energii konkurovat konvenčním zdrojům energie. Vzhledem k tomu, že účinnost solárních článků značně závisí na kvalitě materiálů podílejících se na procesu, vyvíjí chemická společnost BASF řešení, která produkci energie pomohou, např. technologie křemíkových destiček a tenkovrstvé technologie, a také výrobky pro solární energii, jako jsou např. panely a články. V této společnosti se například vyrábějí chemické přísady, které výrobu křemíkových destiček zpřesňují a zlevňují. Byly zde také vyvinuty jedinečné UV stabilní plastové materiály schopné nahradit hliníkové rámy solárních panelů, díky čemuž solární články lépe odolají počasí. Mimo to je odolnost solárních článků zajištěna různými speciálními lepidly a rozličnými izolačními materiály této německé společnosti. 37 ? Věděli jste • Na Slunci je neuvěřitelné množství energie: celková roční spotřeba energie lidstva by byla zcela pokryta energií vyprodukovanou Sluncem během jedné hodiny, pokud bychom byli schopni tuto energii zcela zužitkovat. Fakta a čísla 1 248 gigawatthodin – toto množství elektřiny bylo v roce 2013 celosvětově vyrobeno v solárních elektrárnách. Existují také solární farmy, kde je solární energie zaměřována pohyblivými zrcadly, tzv. heliostaty, které z ní přímo produkují teplo. Tyto farmy se nazývají solární termální farmy. Největší solární termální farma na světě je 1 500 akrů velká farma v Mohavské poušti na hranici Kalifornie a Nevady. Kapacita 300 000 zrcadel činí 392 MW, které by mohly zásobovat energií 140 000 domácností. Evropská největší solární termální farma je Planta Solar 10 umístěná v Seville ve Španělsku. Slunce zavřené v komíně Solární větrná věž, též známá jako solární komín, je novou alternativou na poli obnovitelných zdrojů energie. Vynález je založen na tisíce let staré skutečnosti, že teplý vzduch stoupá vzhůru. Funguje to takto: vzduch je ohříván solární energií, což generuje vertikální proudění vzduchu uvnitř věže, které roztočí větrné turbíny, čímž dochází k produkci energie. Taková věž stojí v současné době v Číně, ale mnoho dalších zemí by rádo podobné solární větrné věže vybudovalo. V plánu je např. stavba v australské poušti, kde je vzduch u země velmi horký. Tato věž by měla být jednou z nejvyšších budov na světě, její výška bude mezi 750 a 1 000 metry. 38 Hydroelektrická energie Hydroelektrická energie se od ostatních forem obnovitelných zdrojů energie odlišuje, jelikož je k dispozici trvale. Vítr nemusí foukat pořád a slunce můžeme očekávat pouze během dne. Voda však nikdy nepřestane téct, a proto je mnohem stabilnějším zdrojem energie. Není náhodou, že je tato zelená energie nejrozšířenější: téměř 20 % světové elektřiny je vyrobeno z energie vody, která činí přibližně 2 030 TWh. To je stokrát více, než je kapacita větrných farem, které jsou dnes v provozu. Odhaduje se, že kapacita celkově dostupné hydroelektrické energie na světě je desetinásobná, jsou zde tedy stále ještě nevyužité oblasti. Vzhledem k rychle tekoucím horským řekám jsou největšími uživateli hydroelektrické energie Norsko, Švýcarsko, Itálie, Švédsko a Finsko. Díky tomu je Norsko světovým lídrem v oblasti využívání obnovitelných zdrojů energie. Hydroelektrická energie se využívá ve vodních elektrárnách (hydroelektrárnách), kdy jsou obvykle na tocích řek postaveny přehrady a energie říční vody je pomocí vodních turbín a elektrických generátorů transformována na elektrickou energii. Mimo to existují vlnové elektrárny, které využívají energii vln na moři. Ačkoli je tato oblast stále ještě nedostatečně využita, podle energetických odborníků by z mořských a oceánských vln mohlo být produkováno až 15 % světové elektřiny, což je obrovské množství – přesně dvakrát více, než je v současné době produkováno na celém světě v jaderných elektrárnách. To vše ukazuje na to, že úkolem dnešních i budoucích inženýrů bude znovu objevit přírodní technologie a vybudovat účinnější zelené elektrárny s využitím moderních materiálů a pokročilých počítačových systémů. ? Fakta a čísla Věděli jste • Nevyčerpatelnou sílu vody lze také využít pro produkci energie v pomalu tekoucích řekách. Tato metoda je již celkem pozapomenutá, byla však použita již v roce 1200 v přílivových elektrárnách. Energie pohybu vody mezi nízkým a vysokým přílivem využívají malé vodní turbíny. Toto ekologicky šetrné řešení se ale od roku 1800, od dob industrializace, používá méně, jelikož nebylo tak účinné jako minerální oleje a uhlí. 20 % světové roční energie pochází z hydroelektrické energie. 39 Energie z odpadu Při produkci energie je stále důležitějším faktorem bioplyn. Lze jej vyrábět z regionálně dostupných surovin, např. z recyklovaného odpadu. Jde také o obnovitelný zdroj energie, který v mnoha případech zanechává jen velmi malou uhlíkovou stopu. Bioplyn je také produkován při anaerobním vyhnívání pomocí anaerobních bakterií nebo při fermentaci biologicky rozložitelného materiálu, např. chlévské mrvy, splašků, komunálního odpadu, zeleného odpadu, rostlinných materiálů a plodin. Plyny metan, vodík a oxid uhelnatý (CO) Energie je všude, jen je třeba vědět, jak ji používat Obnovitelné zdroje energie mají stále rozmanitější využití. Kreativní vědci jsou navíc schopni zajistit produkci energie dalšími ohromujícími způsoby. Například pro použití kinetické či mechanické energie je zapotřebí jen trochu fantazie a inovativní vědecké lze spalovat nebo oxidovat kyslíkem. Uvolnění energie umožňuje, aby byl bioplyn používán jako palivo, lze jej použít pro vytápění (např. i pro vaření). Lze jej rovněž použít v plynovém motoru pro převedení energie plynu na elektřinu a teplo. ? řešení. V několika městech umístili do asfaltu či do dlažby senzory, které zužitkovávají energii z kroků chodců. Tato nejúspěšnější iniciativa byla představena na olympijských hrách v Londýně. Od té doby podobná energetická dlažba funguje v Izraeli, v Toulouse ve Francii a v Tokiu. A co víc, kreativní majitel diskotéky dokonce realizoval první udržitelný taneční parket na světě, a to v Nizozemí. Tento parket shromažďuje kinetickou energii z pohybů tanečníků a pomocí generátorů z ní vyrábí elektřinu. 40 Kinetické fotbalové hřiště Nedávno bylo v Brazílii otevřeno první kinetické fotbalové hřiště. Pod trávníkem je umístěno asi 200 dlaždic, které zachytávají energii a využívají pohyb hráčů k výrobě elektřiny. Okolo hřiště jsou nainstalovány solární panely. 80 % energie spotřebované na hřišti během dne vyprodukují solární panely, zatímco kinetické dlaždice zajišťují 100 % energie během noci. Fakta a čísla 53 % – to je množství energie, které bude lidstvo do roku 2030 potřebovat navíc, pokud nebude energií šetřit. 16 % – to je množství energie, které bude lidstvo do roku 2030 potřebovat navíc, pokud bude energií šetřit. Neplýtvejte! Vědci se shodují, že nadcházející energetickou krizi řeší obnovitelné zdroje energie pouze částečně a chytrá řešení uvedená výše (úspory energie a snižování celosvětové potřeby energie) jsou přinejmenším stejně tak důležitá. Budeme-li pokračovat v plýtvání, energetické potřeby se podle výpočtů do roku 2030 zdvojnásobí, což znamená, že by se zdvojnásobily také emise oxidu uhličitého. Pokud ale začneme energii šetřit, zvýší se spotřeba energie pouze o 16 %. Při šetření energie mají velkou odpovědnost obyvatelé měst, jelikož velká část energie je spotřebovávána ve velkých městech. Průmyslové podniky také potřebují změnu, spotřebovávají totiž mnohem více energie než domácnosti. Jejich úkolem je vyvíjet vlastní technologie a optimalizovat své procesy tak, aby se spotřeba energie snížila. Tento proces již byl zahájen a řada velkých průmyslových podniků prošla modernizací za účelem úspor energie. Pokud ale začneme energii šetřit zvýší se spotřeba energie pouze o 16 % ! Tipy pro úsporu energie: • Stáhněte topení: snížení teploty v domácnosti o 1,8 °F (1 °C) sníží náklady na energii o 6 %. • Vyměňte ve své domácnosti klasické žárovky za ekologicky šetrné světelné zdroje LED. Spotřebovávají o 90 % méně energie a vydrží několik let! • Při vaření vody zvažte, jaké množství přesně potřebujete. Uvařte pouze tolik vody, kolik skutečně využijete – takto ušetříte energii i vodu. • Zapomeňte na pohotovostní režim (stand-by)! I přístroje v pohotovostním režimu roztáčejí elektroměr, takže po použití raději vždy elektrický přístroj vytáhněte ze zásuvky. • Zmodernizujte izolaci svého domu! V domácnostech je největší plýtvání energií způsobeno ztrátou tepla, je tedy velmi důležité, aby okna i dveře byly dobře izolovány. 41 42 Chemie solárního článku Solární článek obsahuje dva typy materiálu, které se většinou nazývají polovodiče typu P a polovodiče typu N. Světlo o určité vlnové délce je schopno ionizovat atomy polovodiče, čímž dopadající fotony vytvářejí nadbytečné nosiče náboje. Většinu nosičů kladného náboje (elektronové díry) je možné nalézt ve vrstvě P, zatímco nosiče záporného náboje (elektrony) ve vrstvě N. Ačkoli se nosiče náboje dvou opačně nabitých vrstev navzájem přitahují, mohou se spojit pouze při průtoku externím obvodem kvůli potenciálním krokům mezi nimi. 43 Světelné zdroje budoucnosti Vývoj inovací se nevyhýbá ani osvětlení. Wolframové a halogenové žárovky byly postupně nahrazeny úspornými a inteligentními svítidly LED a OLED. Vědci řeší problém, jak přivést přirozené světlo i do uzavřených místností, aniž bychom museli montovat žárovky do lamp. A bylo světlo Není pochyb o tom, že Edisonův vynález z 19. století – klasická žárovka – zcela změnil svět. V minulosti lidé využívali pro práci pouze denní světlo. Večer chodili brzy spát a probouzeli se za svítání. Moderní lidé světlo využívají, místo aby se mu přizpůsobovali, jelikož světlo potřebují i pozdě večer. Osvětlení vlastně potřebujeme i přes den, protože již netrávíme většinu času venku, nýbrž uvnitř budov, kde přirozené světlo často není k dispozici. Problém je ale v tom, že na osvětlení připadá až 19 % celosvětové spotřeby elektřiny. Lidstvo potřebuje stále více světla kvůli vývoji technologií a změnám životního stylu; proto je energeticky účinné osvětlení tak důležité. Snížením spotřeby energie na osvětlení by se podařilo podstatně snížit i emise škodlivého oxidu uhličitého. Vývojáři a vědci proto pracují na vývoji nových, dosud nepoznaných řešení osvětlení. ? Věděli jste • Pro úsporu energie na osvětlení byl zaveden zimní a letní čas. Toto opatření ušetří energii odpovídající zhruba 300 000 tun ropy. 44 Teorie světla Než se podíváme na inovativní řešení osvětlení, s nimiž vědci přicházejí, projděme si zdroje světla, které jsou na Zemi k dispozici: Světelné zdroje nebo zařízení vytvářející viditelné světlo lze rozdělit do dvou skupin. 1. Primární zdroje světla svítí samy o sobě. 2. Sekundární zdroje pouze odrážejí nebo rozptylují světlo z jiných zdrojů. Dále lze rozlišit primární skupiny zdrojů podle principu jejich funkce: 1. 2. přírodní: nebeská tělesa vyzařující světlo, blesk, polární záře, bioluminiscence světlo vyzařované živými organizmy spalovací: pochodeň, svíčka, plynová lampa, oheň, magma 3. 4. 5. elektrické: žárovka wolframové a halogenové žárovky elektroluminiscence LED nízkotlaká výbojka (kompaktní) zářivka, indukční žárovka vysokotlaká výbojka, rtuťová oblouková lampa, xenonová oblouková lampa chemické: chemoluminiscence jev doprovázející chemické reakce, jejich produkt je v excitovaném stavu; při přechodu z excitovaného do klidového stavu je vyzařováno světlo sekundární: tepelné záření, laser 45 Světelná revoluce V porovnání s jinými vědními obory je překvapivé, jak pomalu se osvětlení vyvíjelo. Na první úspornou žárovku jsme museli čekat více než 100 let: věřte nebo nevěřte, ale na mnoha místech se dodnes používají žárovky fungující na stejném principu, se kterým přišel Edison v 19. století. Proč byl ale tento vývoj nutný? Klasická žárovka je velmi neúčinným zdrojem světla, jelikož 90 % energie se ztrácí ve formě tepla a pouhých 10 % slouží k osvětlení. Uvážíme-li, že naše zdroje energie jsou omezené (více k tomuto tématu viz náš článek „Energie“), znamená tato skutečnost ohromné plýtvání. Plýtvání je nutno co nejdříve zastavit; proto Evropská komise schválila tzv. Zelenou knihu, čímž zahájila debatu o ekologickém a energeticky úsporném řešení osvětlení pro budoucnost. Cílem je snížit v evropských zemích spotřebu energie na osvětlení do roku 2020 o 20 %. Klasické žárovky budou v Evropské unii v následujících letech postupně stahovány z prodeje a žárovky v domácnostech, kancelářích i veřejných prostorách bude tedy nutno nahradit energeticky úspornějšími světelnými zdroji. V posledních deseti letech se začaly šířit energeticky úsporné halogenové žárovky s jódovým nebo bromovým Klasická žárovka je velmi neúčinným zdrojem světla, jelikož 90 % energie se ztrácí v formě tepla a pouhých 10 % slouží k osvětlení. vláknem. Toto vlákno dosahuje vyšší teploty než klasické wolframové vlákno; baňka žárovky je proto vyrobena ze silnějšího skla nebo křemíku. Velmi rozšířené jsou i úsporné zářivky, v nichž vzniká viditelné světlo výbojem mezi vlákny v plynné směsi rtuti a argonu, který generuje UV záření uvádějící fosfor uvnitř zářivky do excitovaného stavu a nutí jej tak vyzařovat viditelné světlo. Nejperspektivnější alternativou jsou diody LED nebo jejich organická varianta OLED; někdy se též nazývají polovodičovými světelnými zdroji (SolidState Light Source – SSL). ? Věděli jste, že… • Věřte nebo nevěřte, ale na mnoha místech se dodnes používají žárovky fungující na stejném principu, se kterým přišel Edison v 19. století. 46 LED a OLED Šíření LED a OLED osvětlení nelze zpochybnit, jelikož tato technologie přináší oproti klasickým žárovkám několik výhod. Především jsou tyto zdroje mnohem úspornější a jejich životnost je 40 až 60 let. Vlastním zdrojem světla je zde LED dioda připojená k elektrickému napětí, které excituje elektrony atomů v materiálu diody na vyšší energetickou hladinu (orbitu). Při návratu na původní energetickou hladinu pak elektrony emitují fotony, tj. světlo. Rozdíl mezi technologií LED a OLED spočívá v onom „O“, které znamená „organický“. Zatímco v LED diodě je použit miniaturní krystal na bázi např. nitridu galného, diody OLED jsou zhotoveny z organických látek podobných pigmentům, které jsou obvykle metodou depozice z plynné fáze naneseny na podkladu. Organické LED diody (OLED) nám umožňují vstup do světa, kdy se i tapety na zdech nebo okenní tabule mohou proměnit ve zdroj světla. Odborníci jsou přesvědčeni, že během několika let přinese tento perspektivní úsporný zdroj revoluci v osvětlení. Očekávání kladená na technologii OLED jsou vysoká. Nové světelné zdroje by měly být energeticky účinnější než veškeré stávající zdroje a jednou budou schopny převést na světlo téměř 100 % přiváděné energie. Rozdíl mezi technologií LED a OLED spočívá v onom „O“, které znamená „organický“. 47 Inteligentní zdroj světla Inteligentní svítidlo LIFX získalo zlatou medaili v soutěži Edison Lighting Award v roce 2014. Jde o energeticky úsporné LED světlo s proměnlivou barvou a integrovaným Wi-Fi připojením, které lze ovládat pomocí bezplatné aplikace v chytrém telefonu. Uživatelům tak nabízí neuvěřitelné možnosti: 16 milionů barev, programovatelné osvětlení a světelné efekty, nebo dokonce sladění osvětlení s vaší oblíbenou hudbou. Životnost tohoto zdroje o světelném toku až 1000 lumenů je až 25 let. Životnost tohoto zdroje o světelném toku až 1000 lumenů je až 25 let. 48 Nový pohled na osvětlení Velké výhody technologie OLED mohou vývojáři efektivně a zároveň kreativně využít ve spotřební elektronice. Představte si třeba ohebnou televizi, kterou můžete srolovat! Jestliže displej OLED vložíme do tenkého plastového pouzdra, není to nemožné. Možnosti využití jsou prakticky nepřeberné. Konstruktéři společnosti BASF již vyvinuli světelný zdroj, který je tenký a lze jej umístit na auto, kde funguje jako solární panel a zároveň jako svítidlo. Když jej zhasnete, je zcela průhledný. Auto s takovouto „skleněnou střechou“ tak může během dne získávat energii, díky které si pak večer uvnitř můžete rozsvítit. 49 Jak OLED funguje? lý v vě žíc h o ro sm vý im ch et- po ro c k e ap de u 22 usta, b nn h azalka ě od a paž in itka ,k to lát ro s LED osvětlení lze efektivně využít i v jiných oblastech, např. při pěstování plodin v interiérech, kde dokáže výborně imitovat sluneční světlo. Organizace American Green Sense Farms pěstuje v experimentální stanici hlávkový salát, kapustu, bazalku a pažitku v místnostech s klimatizací a umělým LED osvětlením. Plodiny rostou 22 hodin denně po celý rok v osmimetrových věžích – jsou nedotčené škůdci a zalité zvláštním růžovým světlem. Toto světlo samozřejmě není stejné jako světlo vyzařované normálními LED diodami; jeho vlnová délka je přizpůsobená potřebám pěstovaných plodin. Toto řešení je vhodné zejména pro malé listnaté plodiny; vědci ale pravděpodobně vyvinou umělé a výživné světlo i pro obiloviny pěstované ve velkém množství, jako je kukuřice nebo pšenice. Organické molekuly přitom vyzařují světlo. Jelikož jsou organické vrstvy velmi citlivé na vodu a kyslík, musí být zapouzdřené. sa Zdroje OLED mají sendvičovou strukturu, přičemž náplň sendviče tvoří tenké vrstvy organického materiálu. Tyto vrstvy jsou vloženy mezi kladně nabitou anodu a záporně nabitou katodu. Jestliže jimi prochází elektrický proud, proudí elektrony a kladné náboje do středu sendviče, kde se slučují. 50 Fakta a údaje U elektrických, halogenových a úsporných žárovek se velká část energie místo světla přeměňuje na teplo – např. 100 wattová elektrická žárovka dosahuje na povrchu teploty přes 200 °C (392 °F). Naproti tomu diody OLED, na jejichž vývoji se právě pracuje v Drážďanech, mají teplotu pouze zhruba 30 °C (86 °F) a jsou tedy vždy chladnější, než je teplota lidského těla. 5-10 Svítidlo OLED vydrží 5x až 10x déle než klasická žárovka. 40.000 Tolik hodin vydrží svítit LED dioda. 10.000 Tolik hodin vydrží svítit současná OLED dioda 51 Inteligentní domácnost, inteligentní osvětlení Automatizace již samozřejmě pronikla i do oblasti osvětlení. V inteligentní domácnosti vybavené řídicím systémem můžeme nejen rozsvítit či zhasnout a případně regulovat intenzitu osvětlení, ale svoje nastavení světel si také můžeme uložit a následně jej kdykoli dle libosti znovu vyvolat. Jedním stisknutím tak nastavíme všechna svítidla v domě podle nálady, denní doby a toho, co zrovna potřebujeme dělat. Potenciál technologie OLED je ale mnohem širší než pouhé osvětlení či programovatelné svícení. Její světlo je příjemnější, měkčí a přívětivější než světlo z jiných zdrojů; ne nadarmo mu jeho vynálezci říkají „světlo pro pohodu“. Tajemství tohoto příjemného světla spočívá v principu, na kterém tato svítidla vyzařují. Na rozdíl od všech předchozích i současných zdrojů světla nevyzařují diody OLED z jednoho místa, nýbrž fungují jako plošný zdroj světla. Diody OLED také umožňují regulovat „teplost“ světla a přizpůsobit světlo denní době. Můžete tak mít například teplé bílé světlo ráno a večer a studené během dne. Její světlo je příjemnější, měkčí a přívětivější než světlo z jiných zdrojů; ne nadarmo mu jeho vynálezci říkají „světlo pro pohodu“. 52 Modrá otázka Bílé světlo organické LED diody (OLED) získáme jedině při správném míchání červeného, zeleného a modrého světla. Až do současnosti se ale výrobci museli spokojit s dosti neefektivním modrým odstínem. Zářivé emitory, které jsou dnes k dispozici na trhu, přeměňují na světlo pouhou čtvrtinu energie, zatímco zbytek je vyzářen v podobě tepla. Chemičtí výzkumníci společnosti BASF proto před několika lety začali hledat řešení tohoto „modrého Další vlastností diod OLED je to, že jsou velmi inspirativní pro designéry osvětlení. Jsou vyrobeny z tenkých organických materiálů, a v blízké budoucnosti je proto možná budeme moci používat jako povrchovou vrstvu na tapetách, stropech či oknech. Mohli bychom tak proměnit strop v dokonalou imitaci letní oblohy a stěna by se mohla stát virtuální jarní loukou. Když diody OLED nesvítí, jsou bílé, reflexní nebo čiré – lze je tedy použít pro výrobu okenních výplní, které budou za dne dovnitř propouštět sluneční světlo a večer se změní ve svítidla. Nízkovýkonové diody mohou být inspirací nejen pro designéry, ale lze je využít i v módě, pro navrhování nábytku či šperků nebo třeba ve výtvarném problému“. Objevili při tom molekuly, které září modře a jsou schopny převést téměř veškerou energie na světlo. Tyto molekuly patří mezi vysoce účinné fluorescenční zářiče, které se používají i v diodách OLED. Byl v tom ale jeden háček: vydržely totiž pouhých pár minut. Předpokládáme, že v roce 2016 budou mít modré zářiče společnosti BASF dostatečnou barevnou hloubku pro zobrazovací zařízení. umění. Přirozené „pohodové“ světlo lze v budoucnu využít i v nemocnicích a ordinacích lékařů. O nový typ osvětlení mají zájem i muzea, která oceňují měkké světlo bez ultrafialové složky produkující jen málo tepla. Japonsko je dokonce o krok napřed – diodami OLED zde již jsou vybaveny i některé výstavní sály. 53 Zářící rostliny – svítící rostliny jako zdroj světla Zní to možná neuvěřitelně, ale je možné, že v budoucnu nebudeme potřebovat pouliční lampy. Světlo budou místo nich poskytovat rostliny podél silnice. Tým vědců v San Franciscu pracuje na vytvoření zářících rostlin; používají k tomu poznatky syntetické biologie. Jejich úmyslem je implantovat do rostlin syntetické segmenty DNA vycházející z DNA světlušek a světélkujících mořských bakterií. Laser jako zdroj světla Většina z nás si laser představuje jako barevnou směs blikajících světel; někteří to ale vidí jinak. Steven DenBaars, vědec z univerzity v Santa Barbaře, je přesvědčen, že laserové světlo by mohlo dokonale nahradit tradiční svítidla; bylo by například možné rozsvítit celý strop místnosti tak, aby vypadal jako modrá obloha. Nebo si představte taneční sál s desítkami či stovkami žárovek, které nahradíte několika extra jasnými světelnými zdroji. Na první pohled se zdá, že teplé světlo klasické žárovky vznikající rozžhavením vlákna do běla nemá nic společného s laserem vyzařujícím na jediné vlnové délce a vysílajícím soustředěný paprsek na miniaturní cíl. Společnou půdou je zde technologie LED – ukazuje se totiž, že typ laseru, s nímž DenBaars pracuje, funguje na principu současných LED diod nazývaných „laserové diody“. k záření buzenému – je to jako lavina. Nejlepší laserové diody jsou zhruba stejně účinné, pokud jde o přeměnu elektřiny na světlo, jako běžné dostupné LED diody, ale je zde jeden velký rozdíl: laserovou diodu můžete napájet až 2000x vyšším výkonem. Teoreticky to znamená, že laserová dioda vyzáří 2000x více světla na čtvereční centimetr plochy. Princip je velmi podobný LED osvětlení. Jde o stejné materiály; stačí jen doplnit LED diodu po obou stranách zrcadélky a proměníte ji v laser. Díky opakovaným odrazům světla získáte potřebné zesílení a vyzařování přejde od běžného záření 54 Přirozené světlo, o to tu běží! Nejúspornějším zdrojem světla je samozřejmě Slunce, kterého se moderní architektura snaží využívat pomocí prosklených atrií a střech. Velmi jednoduché řešení, které je stále běžnější, spočívá v tom, že přivádíme sluneční záření přímo do bytu. Nejde o žádnou novinku – toto kreativní řešení je zhusta používáno v technicky zaostalých regionech: stačí vzít starou PET láhev a naplnit ji vodou s trochou bělidla, které vodu sterilizuje a udržuje čirou. Láhev pak lze zaklínit ve svislé poloze do otvoru ve střeše, zajistit ji, aby nepropadla dolů, a utěsnit kusem gumy. Žárovka je hotová. Když na láhev svítí slunce, láme se jeho světlo ve vodě a osvětluje vnitřek chýše bez použití elektřiny. Modernější přístup spočívá v tom, že světlo propouštíme dovnitř světlovodem, který funguje jako jakýsi aktivní hranol. Zabudovává se přímo do střešní konstrukce. Na vnější straně je kolektor, od něhož světlo proudí na druhý konec roury umístěný v místnosti, přičemž roura je zevnitř obložena zrcadlem. Nejkvalitnější světlovody dokážou přenést světlo až na vzdálenost 6 metrů prakticky beze ztrát. Můžeme tak snadno osvětlit denním světlem místnost bez oken o výměře 25 metrů čtverečních. Nobelova cena za LED diodu V roce 2014 získali Nobelovu cenu za fyziku dva japonští a jeden americký vědec: Isamu Akasaki, Hiroshi Amano a Shuji Nakamura, a sice „za vynález účinné modré LED diody, který umožňuje sestrojení jasných a úsporných světelných zdrojů“. Oceněným vědcům se na začátku devadesátých let minulého století podařil průlomový objev. První diody vyzařující světlo, tj. LED diody, se začaly vyrábět už v šedesátých letech. Dokázaly ale vygenerovat pouze infračervené záření; dodnes je najdete v dálkových ovladačích. Výzkumníci přicházeli se stále jasnějšími LED diodami a brzy se objevily i červené a poté zelené diody. Modré světlo ale úsilí vědců odolávalo a modrou LED diodu se vyrobit nedařilo; bez modré složky ale nelze dosáhnout ani bílého světla. Modré LED diody na bázi nitridu galného, jež se začaly vyrábět před dvaceti lety, byly první diody o dostatečném jasu, které tak konečně otevřely dveře k výrobě LED světel vyzařujících smíšené (červené + zelené + modré) neboli bílé světlo. 55 Nové vyhlídky v oblasti dopravy Doprava se stala významnou součástí našeho každodenního života; spotřebovává ale obrovské množství energie a generuje velké emise znečišťujících látek. Každý den znečišťují ovzduší výfukové plyny ze stovek milionů automobilů. Je zřejmé, že udržitelný rozvoj vyžaduje revoluci v dopravě. S tou nám může pomoci věda. Auta, naši každodenní společníci Automobily se během uplynulých sta let staly součástí našeho každodenního života – bohužel až do té míry, že si už ani neumíme představit, co bychom si bez nich počali. Rostoucí počet motorových vozidel ale značnou měrou přispívá k vyčerpávání zásob minerálních olejů a uhlí (tzv. fosilních zdrojů energie), jelikož většina našich aut jezdí na benzín nebo na naftu, která se vyrábí právě z minerálních olejů. Výfukové plyny navíc obsahují škodlivé plyny jako oxid uhličitý, oxid uhelnatý, oxidy dusíku nebo uhlovodíky. Podle odhadů bude v roce 2021 na celém světě jezdit asi 1,2 miliardy automobilů, což je téměř o 300 milionů více než dnes. V dnešní době se doprava podílí na celkovém znečišťování ovzduší z 50 procent; jde tedy o jednu z největších příležitostí k velmi zásadnímu omezení znečišťování. 56 Fakta a údaje 95 000 – tolik nových aut vyjede každý den na silnice po celém světě. 1,2 miliardy – tolik aut bude v roce 2021 jezdit po světě. 40 % – v této míře se motorová vozidla podílí na znečišťování ovzduší v Evropě. 80 % – tolik jízd autem v Evropě je kratších než 20 kilometrů. Renesance jízdních kol Mnoho lidí přechází ze čtyř kol na dvě – někteří proto, aby chránili životní prostředí, jiní z praktických důvodů – a jezdí do školy nebo do práce na kole. Zajímavé je, že se každoročně vyrobí dvakrát více kol než automobilů; v minulém desetiletí pak bylo prodáno mnohem více kol než dříve. U některých národů je záliba v jízdě na kole tradiční záležitostí. Příkladem je Nizozemsko, kde je více jízdních kol než obyvatel. V Číně a jihovýchodní Asii je situace podobná; kvůli větším vzdálenostem se zde ale více používají elektrická kola. Rostoucí obliba cyklistiky se projevuje i v přibývajících unikátních materiálech a moderních konstrukcích kol, aby bylo kolo ještě pohodlnější, bezpečnější a unikátnější. Jednou z posledních novinek je představení rámů kol vyrobených ze dřeva nebo bambusu, které jsou extrémně ohebné a trvanlivé. Společnost BASF, která se zabývá vývojem inovativních materiálů, vytvořila svůj vlastní koncept jízdního kola spojující osvědčenou kvalitu z minulosti s přísliby budoucnosti. Kolo „Concept 1865“ vypadá jako kola z doby před 150 lety; je ale vyrobeno z 24 druhů vysoce kvalitního technického plastu, speciálních pěnových materiálů, epoxidové pryskyřice a polyuretanových materiálů, díky nimž je kolo unikátní nejen na pohled, ale i z hlediska uživatele. 57 Elektromobily – vozidla budoucnosti? Výrobci a prodejci automobilů se snaží najít způsob, jak snížit celkovou spotřebu paliva a emise i přes prudce rostoucí využívání automobilů. Prvním řešení, s nímž konstruktéři přišli, byl vývoj elektromobilů poháněných elektromotorem napájeným z dobíjecího akumulátoru. Jako první se na silnicích ve větším počtu začaly objevovat hybridní automobily, které spojují klasický spalovací motor s elektromotorem, což snižuje spotřebu paliva a tím i emise. Jejich výhodou je, že efektivně využívají elektrického pohonu v městském provozu při jízdách na krátkou vzdálenost; při delších jízdách a ve vyšších rychlostech pak přepnou na klasický motor. Klíčovou součástí elektromobilu je akumulátor, v němž je uložena elektrická ? energie. Skutečný průlom nastal díky zavedení lithiových akumulátorů, které jsou mnohem výkonnější než jejich předchůdci. Tyto akumulátory umožňují dojezd 150 až 200 kilometrů na jedno nabití, což je pro jízdy po městě více než dostatečné; večer pak můžete auto připojit k nabíječce podobně jako mobilní telefon. Snem konstruktérů je ale najít řešení, které by umožnilo dojezd i na velké vzdálenosti na jedno nabití. Vývojáři společnosti BASF, která působí v chemickém průmyslu, pracují na akumulátorech nové generace. Kombinací lithia se sírou nebo vzduchem bude možné dosáhnout u akumulátorů vyšší hustoty energie, což by znamenalo dojezd až 400 kilometrů na jedno nabití. Dalším možným řešením, jak zlepšit účinnost nabíjení, jsou nové hybridní elektromobily PHEV (Plug-in Hybrid Věděli jste, že... • Není pravda, že elektromobily jezdí pomalu. Jedním z nejrychlejších elektromobilů na světě je Rimac Concept One, který zkonstruoval chorvatský vynálezce Mate Rimac. Motor o výkonu 1088 koňských sil jej dokáže hnát rychlostí 300 km/h. Electric Vehicle). Tyto automobily mají výkonnější akumulátor a lze je dobíjet z běžné elektrické zásuvky. Automobily PHEV mají i spalovací motor, který jednak pomáhá při dobíjení akumulátoru a jednak zvětšuje dojezd vozidla. Jeho využívání je ale podstatně minimalizováno díky větší kapacitě akumulátoru. Dalším slibným řešením jsou akumulační panely v karosérii vozidla. Některé evropské společnosti v současnosti pracují na výzkumu a testování panelů v karosérii vozidla, jež akumulují elektrickou energii a umožňují rychlejší dobíjení než dnešní konvenční akumulátory. Testované panely jsou vyrobeny z polymerových vláken a uhlíkového plastu, který je dostatečně pevný pro použití v automobilu a zároveň umožňuje dobré vrstvení a lisování do panelů. Fakta a údaje 500 000 – tolik elektromobilů jezdí po celém světě +100 % – předpokládaný nárůst počtu elektromobilů do roku 2022 2040 – každý druhý automobil bude hybridní. 58 Vodíková elektrárna v autě Velmi slibnou příležitost pro sestrojení ekologicky šetrného automobilu se zcela nulovými emisemi představuje palivový článek, který vyrábí elektrickou energii přímo v autě prostřednictvím chemické reakce mezi vodíkem a kyslíkem. Chemická energie vzniklá při reakci těchto dvou prvků se přemění na elektřinu, teplo a vodu – z výfuku tak proudí pouze pára. Auta s palivovými články mají dojezdovou vzdálenost srovnatelnou s dnešními automobily s benzínovým motorem. Nabízejí stejný výkon a dojezd jako tradiční auta; konstruktéři nicméně ještě musí překonat řadu překážek. Musí totiž najít v autě vhodné místo pro instalaci velké vodíkové nádrže a snížit hmotnost palivového článku. V neposlední řadě je pak nutné vybudovat síť vodíkových čerpacích stanic, kde budou auta tankovat místo benzínu vodík. 59 Letadlo poháněné vodíkem – dnes už je to realita Před několika lety zkonstruovaly společnosti German Aerospace Centre (DLR) a Lange Aviation první letoun poháněný výhradně vodíkem s názvem Antares DLR-H2. Tento kluzák s malým motorem je prakticky zcela tichý a nevypouští žádný kouř, pouze páru. Jádrem systému palivových článků instalovaných pod křídly letadla je membránová elektroda vyvinutá společností BASF, jejíž revoluční přínos spočívá v tom, že umožňuje pracovní teplotu až 180 °C. Tím odpadá nutno používat celou řadu drahých dílů včetně chladicího systému. German Aerospace Centre plánuje montovat tento inovativní palivový článek i do letounů pro osobní přepravu Airbus A320 a zlepšit tak účinnost palubního napájení letadla. Chemie proniká i do aut Jedním z klíčových požadavků kladených na automobily budoucnosti je bezesporu pečlivý výběr materiálů: úkolem konstruktérů je zajistit, aby byly panely karosérie bezpečné, komfortní a zároveň co nejlehčí. Posledně uvedený problém řeší i vývojáři ve Formuli 1, kteří chtějí snížit hmotnost vozidla, aby mohlo jet rychleji; v běžné přepravě je hlavní výhodou malé hmotnosti aut nižší spotřeba paliva. Pro snížení hmotnost jsou stále více používány nové plastové materiály pocházející z chemického průmyslu. Fakta a údaje Moderní auta již dnes obsahují asi 15 % plastů. Během několika let by tento podíl mohl vzrůst na 25 %. 60 61 Na plasty v interiéru aut jsme už dnes zvyklí; z technického plastu se ale vyrábí stále více jiných dílů včetně krytů a jiných součástí motorové jednotky. Automobilová divize společnosti BASF vyvinula celou řadu plastů se speciálními vlastnostmi, které jsou extrémně odolné vůči vysokým teplotám (např. pro fixní části olejové soustavy), nebo naopak silně ohebné (a tedy vhodné pro mechanické části motoru). Další revoluční inovací, kterou přináší německý chemický průmyslový podnik, je ráfek kola vyrobený z vysoce kvalitního plastu, jenž umožňuje snížit hmotnost každého kola o celé tři kilogramy. Na rozdíl od klasických polyamidových kompozitních plastů je tento nový plast vyztužen dlouhými skelnými vlákny, která nabízejí vynikající odolnost vůči namáhání. Plastová kola byla vyvinuta pro elektromobil smart forvision. Ten společnost zkonstruovala ve spolupráci s automobilkou Daimler. Jde o malý automobil, jehož dveře i jiné části karosérie jsou vyrobeny z vysoce kvalitního kompozitního materiálu – epoxidové pryskyřice vyztužené uhlíkovými vlákny – díky čemuž váží toto vozítko jen polovinu toho, co auto vyrobené z tradičních materiálů. Najdete zde i další nejmodernější inovace v oblasti automobilismu, například: Reflexní infračervená fólie Reflexní infračervená fólie je nalepená na čelní sklo a okna, čímž chrání vnitřek vozidla před přehříváním. Rám z kvalitních kompozitů Prostor pro spolujezdce a další součásti (např. dveře) jsou vyrobeny z epoxidové pryskyřice s obsahem uhlíkových vláken, což je vysoce kvalitní kompozitní materiál. Použití těchto materiálů umožňuje snížit hmotnost o více než 50 % ve srovnání s ocelí. Účinné izolační pěnové materiály Panely karosérie jsou zhotoveny z vysoce kvalitních pěnových materiálů od společnosti BASF. Pomáhají vytvořit příjemné prostředí uvnitř vozidla. 62 Průhledná solární střecha Šestiboké průhledné organické fotovoltaické články (OPV) generují i za špatného osvětlení dostatek energie pro napájení multimediálních zařízení a ventilátorů, které pomáhají při klimatizaci interiéru. Když otevřete dveře nebo stisknete příslušné tlačítko, osvětlí interiér čiré panely OLED (Organic Light-Emitting Diode). Když osvětlení vypnete, umožňují panely nerušený výhled ven. Infračervené reflexní fólie Systém infračervených reflexních oděruvzdorných fólií napomáhá regulaci klimatických podmínek ve vozidle. Díky speciálním pigmentům od společnosti BASF jsou tmavé části interiéru chráněny proti přehřívání. Celoplastové ráfky kol První celoplastový ráfek na světě vyrobený z nového robustního materiálu snižuje hmotnost každého kola o tři kilogramy. Tento nový plastový materiál má vylepšené charakteristiky: vynikající tepelnou a chemickou stabilitu, dynamickou pevnost a tuhost a charakteristiky pro nepřetržitou zátěž. 63 E-textilie E-textilie je tenká tkanina s vodivým povrchem upraveným podle potřeby. Tyto textilie nahrazují konvenční vytápění sedadel. Díky přímému ohřevu opěrky těsně u těla nabízejí příjemný pocit tepla. Vícefunkční pohodlné sedadlo Sedadla nabízejí unikátní kombinaci regulace teploty a lehké konstrukce. Základem sedadla je nová samonosná plastová skořepina. Pěnové součásti sedadla nabízejí nejen komfort, ale také úsporu hmotnosti. Fleecová tkanina obsahuje velmi účinné absorpční látky, které pohlcují vlhkost a zvyšují tak komfort. 64 Něco nového místo benzínu Vědci dlouho pracovali na vývoji auta, které by jezdilo na jiné palivo než na benzín či naftu. V současné době je nejběžnějším alternativním palivem bioetanol a biodiesel; obojí se vyrábí z plodin pěstovaných speciálně pro tento účel, nikoli z fosilních zdrojů z hloubi Země. K výrobě bioetanolu se používají tzv. energetické plodiny (např. řepa nebo kukuřice), zatímco biodiesel se vyrábí z plodin s vysokým obsahem oleje (většinou jde o řepku nebo slunečnici). Tato paliva ale vyžadují pěstování obrovských objemů plodin: na výrobu 100 litrů bioetanolu se spotřebuje více kukuřice, než kolik by dokázal člověk sníst za celý rok. Z tohoto důvodu nelze biopaliva považovat za skutečně ekologické pohonné hmoty i přesto, že vozidlo při jejich použití produkuje o něco nižší emise. Nejperspektivnějším palivem není nic jiného než vzduch. Společnosti Peugeot a Citroën společně vyvinuly hybridní automobil poháněný hydraulickým systémem fungujícím na stlačeným vzduch. Auto má i benzínový motor, který se spouští při velké zátěži, např. při jízdě do kopce nebo velkou rychlostí. Automobil s názvem Hybrid Air bude k dispozici od roku 2016. Nové perspektivy pro dopravu budoucnosti Urbanističtí plánovači jsou toho názoru, že náš přístup k osobním automobilům se musí nevyhnutelně změnit. Lidé nebudou pohlížet na automobil jako na svůj osobní majetek a rozšíří se služby sdílení aut. Průkopníky tohoto nového přístupu k věci jsou sítě, které organizují spolujízdu lidí, kteří jedou do téhož cíle. Jednou z nejpopulárnějších komunit tohoto druhu je Uber, která nyní působí v několika středoevropských zemích. Její princip spočívá v tom, že mobilní aplikace zobrazuje dostupné řidiče ve vaší blízkosti, kterým můžete zavolat stejně, jako když si voláte taxi. Služba je ale levnější a někdy auto sdílíte i s více lidmi. Nové návyky v používání aut budou vyžadovat nové typy aut: auto budoucnosti bude mnohem lehčí než předchozí modely, bude mít podstatně nižší spotřebu energie a menší – pokud vůbec nějaké – dopady na životní prostředí. Cestování uvnitř města budou zcela určitě zajišťovat auta bez řidiče, která pojedou po předem definované trase podle GPS navigace. Tato automatická vozidla PRT (Personal Rapid Transit) jezdí po kolejnicích nebo magnetických dráhách a uvezou 3 až 6 cestujících, kteří si mohou zvolit cíl svojí cesty kdekoli na předem definované trase. Může to znít jako futuristická fantazie; ve světě ale již funguje více než deset systémů PRT. Nejstarší a nejrozsáhlejší je systém PRT, který používá West Virginia University. Slouží k přepravě studentů i návštěvníků mezi celou řadou frekventovaných míst po celém městě. Podobná malá automatická vozidla jezdí i na londýnském letišti Heathrow nebo v Masdar City, ekologickém městě, které se v dnešní době buduje ve Spojených arabských emirátech. Běžné osobní automobily bez řidiče už nejsou sci-fi: Automatické vozy Toyota Prius společnosti Google již řadu let zaznamenávají obrazovou dokumentaci ulic. Ale nejen to; jejich počítačové mapy dokonce vidí dopravní značky, vyhledávají alternativní trasy a „vidí“ dopravní světla ještě dříve, než si jich všimne člověk. Pomocí laserů, radarů a kamer dokážou tato auta analyzovat a zpracovávat informace o svém okolí rychleji než člověk. Konstruktéři společnosti Google už vyzkoušeli svoje automatická auta na více než 300 000 kilometrech silnic a dálnic. Zavádění inovací se nevyhne ani veřejná doprava. Nejslibnější novinkou v této oblasti jsou magnetické vlaky. Tyto dopravní prostředky jsou dokonale ekologické, protože jezdí po dráze, po níž je pohání magnetické pole. Díky této technologii může vlak jet rychlostí přes 400 km/h, a to bezpečně a téměř nehlučně. V současnosti jezdí magnetické vlaky v Německu, Japonsku a Číně a nejrychlejší z nich překoná 30kilometrovou vzdálenost během 7 minut. Běžným vlakem to trvá přinejmenším třikrát tolik. Stále běžnější jsou i elektrobusy a vývojáři neustále pracují na jejich zlepšování. Například v Nizozemsku probíhají experimenty s tzv. superbusem poháněným lithio-polymerovým akumulátorem, který do značné míry připomíná velké sportovní auto a dokáže přepravit 23 cestujících rychlostí 250 km/h. 65 Fakta a údaje 90 % lidí žijících ve velkých městech používá pravidelně veřejnou dopravu. Létající auto První létající auto již absolvovalo první zkoušky a brzy bude zahájena jeho sériová výroba. Auto s názvem Terrafugia se během 30 sekund změní z normálního auta na lehké dvoumístné letadlo. Vzlétne-li s plnou nádrží, nabízí dolet 644 km při rychlosti letu 185 km/h. A teď i na obloze Neustále rostoucí intenzita letecké přepravy přináší nové výzvy vědcům: jak snížit ekologické škody způsobované letadly? Každý den vzlétne po celém světě asi 90 tisíc osobních letadel, která produkují obrovské emise skleníkových plynů (zejména oxidu uhličitého) a spotřebují spoustu paliva – kerosinu – který se vyrábí z minerálních olejů. Letadlo spotřebuje za dvě hodiny letu asi 30 tisíc litrů paliva. Toto množství by stačilo na šest set plných nádrží běžného automobilu. Nahrazení kerosinu alternativním palivem by znamenalo významný krok k udržitelnosti letecké dopravy. Biopaliva pro leteckou přepravu se vyrábějí na několika místech; např. v Nizozemsku se plánuje zdvojnásobení kapacity závodu Rotterdam Bio Port do roku 2020. Cílem je snížit emise z letadel díky používání udržitelných paliv o 80 %. Další právě probíhající projekt má název „GreenSky London“ a jeho cílem je vyrobit z 500 000 tun odpadů ročně asi 50 000 tun leteckého paliva a stejné množství biodieselu. Letecká doprava se nemůže vyhýbat využívání obnovitelných zdrojů energie, mezi nimiž je samozřejmostí především solární energie. Pohon ze solárních panelů se již dnes využívá u malých letounů. První letoun tohoto druhu na světě s názvem Solar Impulse, nese na svých křídlech 17 200 solárních panelů, které jímají energii a přenášejí ji do motoru. Letoun už překonal oceány a v roce 2015 se plánuje let kolem světa. Solární pohon velkého osobního letounu je ale stále z říše snů. Konstruktéři se pravděpodobně zaměří na vývoj hybridního řešení, které by udržovalo letadlo ve vzduchu pomocí energie z různých obnovitelných a ekologicky šetrných zdrojů energie. 66 Věda v motorovém prostoru Galvanický článek, akumulátor, palivový článek – z provozního hlediska jsou tato řešení podobná hlavně proto, že všechna využívají elektronový přenos, tj. redukční reakce. Princip pohonu spočívá v tom, že absorpce a uvolňování elektronů je prostorově oddělené, takže elektrony musí letět z anody (oxidace) ke katodě (redukce). Jestliže v galvanickém článku dojde reakční činidlo, nelze již vyrábět elektrickou energii. To znamená, že výroba elektřiny je nevratný proces. V akumulátorech se elektřina vyrábí na podobném principu s tím rozdílem, že proces je elektricky vratný. Jinak řečeno, akumulátor lze dobíjet. Například v lithiovém akumulátoru migrují ionty lithia (Li+) při nabíjení k záporné uhlíkové elektrodě a při vybíjení ke kladné kovové elektrodě na bázi oxidů. V nejmodernějších lithio-polymerových akumulátorech je tekutá elektroda nahrazena speciálním plastem, což umožňuje výrobu velmi malých a flexibilních zdrojů energie. Největší výhoda palivových článků spočívá v tom, že mohou fungovat libovolně dlouho, pokud je doplňujeme. Palivem je zpravidla vodík, ale existují i varianty fungující na metan a metanol. Jejich chemický proces vlastně spočívá ve spalování paliva; nejde ale o spalování v běžném smyslu: reagující látky nejsou ve vzájemném kontaktu a přenos elektronů probíhá přes membránu. Z vodíku vzniká při reakci voda, zatímco ze sloučenin uhlíku vzniká i oxid uhličitý. 67 Věda nese odpovědnost i za to, že budeme schopni vyrábět potraviny v potřebném množství a kvalitě pro rostoucí lidskou populaci, a to s co nejmenšími dopady na životní prostředí v celém dodavatelském řetězci. Přečtěte si o inovativních vědeckých řešeních používaných v zemědělské produkci a o obalech potravin příští generace; podívejte se také do zákulisí kuchyně budoucnosti. 68 UDRŽITELNÝ POTRAVINOVÝ ŘETĚZEC 69 Čím se budou živit příští generace? Vědci dosud nečelili tak náročnému úkolu jako v dnešní době. Dnes totiž musí položit základy pro rozvoj populace na Zemi, který je rychlý a nerovnoměrný. Jedním z klíčových problémů je poskytnout dostatek potravin pro celé lidstvo, a to dlouhodobě udržitelným způsobem. Hlad a nadměrná spotřeba zároveň Celosvětová spotřeba potravin rok od roku významně stoupá. Spotřeba živočišných bílkovin roste o 2 miliony tun za rok, zatímco spotřeba obilovin vyžaduje každý rok o 26 milionů tun zrna více. Hlavním důvodem je růst populace: každý rok je nutno nakrmit dalších 80 milionů lidí. K rostoucí spotřebě potravin přispívá i výrazná nadspotřeba v rozvinutých zemích, kde lidé nakupují zbytečně mnoho potravin, které pak končí v odpadkovém koši. V rozvojových zemích naproti tomu existuje hlad, jelikož místní zemědělská výroba nedokáže držet krok s růstem populace, a tak vzniká neustálý nedostatek potravin. A nesmíme zapomínat ani na lidi trpící nikoli v důsledku kvantity, ale kvality potravin; nedostatek bílkovin, vitamínů a mikroživin u nich vede k nesprávné výživě. Fakta a údaje Celosvětová roční spotřeba: 7 miliard tun zrna, což vyžaduje 746 milionů hektarů zemědělské půdy 210 milionů tun cukru 259 milionů tun tuku. 70 Matka Země, dárkyně jídla a života Půda souvisí s tím, co jíme, ať již jde o zeleninu, ovoce nebo dokonce maso, protože zvířata se krmí pící pěstovanou na zemědělské půdě. Zemědělská půda ale stále ubývá, jelikož rostoucí města a jejich aglomerace i rychle se rozvíjející silniční sítě zabírají stále více půdy. Kromě toho zemědělská půda čelí dalšímu vážnému problému, totiž erozi, která snižuje obsah živin v půdě. Pěstování plodin vede ke kontaminaci půdy dusíkem, fosforem a draslíkem. V minulosti stačilo půdu jednoduše nechat ležet ladem a rok po sklizni na ní nic nezasívat. Dnešní producenti si toto nemohou dovolit, protože výroba musí držet krok s rostoucí spotřebou. Proto se pro hnojení kromě tradiční organických hnojiv používají i chemická hnojiva, která jsou schopna účinně nahradit chybějící živiny v půdě. 71 Inovativní ochrana půdy před globálním oteplováním 78 % ovzduší Země tvoří atmosférický dusík, který vyšší plodiny nedokážou využít přímo. Pro svůj růst využívají nitráty z půdy. Jestliže ale půda obsahuje více nitrátů, než plodiny spotřebují, může to být škodlivé. V tom případě totiž bakterie v půdě přeměňují nitrát na skleníkový plyn oxid dusný (N20), jehož účinky jsou 300x silnější než u oxidu uhličitého. Výzkumníci společnosti BASF obrátili v poslední době svoji pozornost právě k tomuto problému a vyvinuli inhibitor nitrifikace, který ve směsi s hnojivem optimalizuje procesy nitrifikace a zajišťuje, aby koncentrace nitrátů v půdě nepřesáhla potřebnou úroveň. Hnojiva jsou díky tomu účinnější a produkce skleníkových plynů je tak podstatně nižší. Fakta a údaje 80 % půdy na celém světě je poškozeno. Degradace půdy je 17x rychlejší než její obnova. Každoročně zmizí z povrchu Země 75 miliard tun úrodné půdy. 72 Globální výzva: udržitelnější zemědělství Udržitelné zemědělství znamená obhospodařovat dostupnou půdu s co nejmenší spotřebou vody a energie a zároveň minimalizovat produkci odpadu a produkovat dostatek potravin pro lidskou společnost. Zemědělci již přišli s celou řadou nápadů, které přispívají k větší udržitelnosti produkce plodin. Mezi nejvýznamnější koncepty patří: Kr u h eměděls ký c V suchých regionech s malými srážkami se plodiny často pěstují na pozemcích kruhového tvaru. Tato metoda se nazývá středové zavlažování. Její výhoda spočívá v tom, že se spotřebuje méně vody než při konvenčním zavlažování. Zemědělští inženýři a vývojáři budoucích měst si uvědomili, že výživa obyvatel bude nejekonomičtější tehdy, jestliže se některé plodiny budou pěstovat přímo ve městech; tak totiž nebude nutné dopravovat ovoce a zeleninu do měst na velké vzdálenosti. Města jsou ale přelidněná a rostliny mohou růst jedině svisle; proto se pěstují ve skleníkových mrakodrapech vybudovaných speciálně pro tyto účely. Kromě toho vidíme na stěnách domů stále více dekorativních zahrad. Kromě estetické funkce hrají tyto zahrady významnou roli i v čištění městského ovzduší. och pl Vertikální zahrada rz a tv h ov ý Akvaponie Akvaponie je systém výroby potravin, který spojuje intenzivní chov ryb v nádržích s pěstováním plodin ve vodě (hydroponie); v zemědělské revoluci hraje tento systém velmi významnou roli. Oběhové čerpadlo pohání uzavřený systém, který přečerpává vodu z chovné nádrže s obsahem organických výměšků ryb do kořenů plodin, jež z této vody extrahují živiny. Plodiny rostou na ložích vyplněných štěrkem nebo jílovými hrudkami, jimiž voda pomalu protéká. Vyčištěná voda se poté vrací do chovné nádrže, kde proces začíná znovu. Největší výhoda tohoto systému spočívá v tom, že je prakticky zcela samoregulační – jeho efektivitu lze zvýšit pouze přidáním bakterií a doplňováním odpařující se vody. Podzemní skleník V chladnějších oblastech se skleníky často zabudovávají do země. Díky tomu spojují výhody pasivního ohřevu sluncem a vlastností půdy: půda má vynikající izolační vlastnosti, a skleník tak dobře zadržuje sluneční teplo pronikající dovnitř skleněnou střechou. Vzniká teplé, světlé a stabilní prostředí pro růst plodin, a to po celý rok. 73 ? Věděli jste, že… • V posledních letech byla v několika velkých evropských městech založena řada veřejných zahrad, v nichž si místní obyvatelé pěstují zeleninu, byliny a ovoce pro vlastní spotřebu. Umožňují i chov drůbeže a včel. Jak mohou pomoci biotechnologie? Vývojáři, kteří zkoumají, jak udržet vysoké výnosy při menší spotřebě vody nebo za extrémních povětrnostních podmínek, se aktivně podílejí i na boji za udržitelnost. Divize ochrany plodin společnosti BASF je na špici tohoto výzkumu. Vypěstovali již rostliny odolné vůči stresu, které lépe odolávají např. suchu. Vědci zkoumali kaktusy a mechy rostoucí v horkých a suchých lokalitách a identifikovali více než 100 genů, které odpovídají za odolnost rostliny vůči stresu. Výzkumy ukázaly, že rostliny s těmito geny dokážou přežít dva týdny bez vody, přičemž „normální rostlina“ za tu dobu uschne. V poslední době výzkumníci pracují na hybridních rostlinách, jež by pomohly dosáhnout podobné odolnosti vůči suchu i u zemědělských plodin. Pracovníci společnosti BASF zároveň vyvinuli pesticidy, které pomáhají zvyšovat odolnost rostlin vůči chorobám a ekologickým vlivům, a dosáhnout tím vyššího výnosu. Věda může přispět i ke zvýšení výživné hodnoty potravin, což je obzvláště důležité v rozvojových zemích, kde je velmi rozšířené nesprávné nutriční složení potravy. Výzkumná skupina společnosti BASF pro oblast výživy vytvořila několik ingrediencí, které lze použít pro zlepšení nutriční hodnoty potravin. Mezi tyto funkční ingredience patří vitamíny, karotenoidy a omega-3 mastné kyseliny. Lze je použít v kapalné i pevné formě v potravinách, jako jsou obiloviny obohacené vlákninou, mléčné výrobky jako jogurtové nápoje nebo kojenecká či dětská výživa. Německá vývojářská společnost usiluje o udržitelnost natolik, že vyvinula metodu holistického hodnocení udržitelnosti v zemědělství, která se nazývá AgBalance™. V rámci této metody je vyhodnocováno 69 indikátorů ze tří oblastí – životního prostředí, společnosti a hospodářství. Metoda AgBalance zohledňuje například nutriční rovnováhu půdy, biodiverzitu druhů žijících na zemědělské půdě nebo zbytkový obsah látek v potravinách a krmivu či fixní i variabilní náklady. První studie provedená podle metody AgBalance analyzovala produkci řepky v Německu v období 1998–2008; výsledky ukazují zlepšení celkových parametrů z hlediska udržitelnosti o 40 %. 74 Drony a nano-oblaka nad poli Přesné zemědělství je dlouhodobým kýženým cílem. Spočívá v co nejpřesnějším hnojení, postřiku, zavlažování a sklízení. Tak lze dosáhnout snížení množství pesticidů a spotřeby paliva pro kombajny, které následkem toho budou méně znečišťovat životní prostředí, jelikož budou dodržovat přesně vytyčenou trasu. Proto se tolik rozšířila GPS navigace zemědělských strojů – umožňuje totiž přesnější a důslednější využití zemědělské půdy. V této oblasti na nás ještě čeká celá řada vzrušujících příležitostí. Různé kombinace řady technologií a oborů výzkumů mohou přinést velmi zajímavá řešení; příkladem je používání nano-oblaků. V podstatě jde o miniaturní snímače, které měří parametry prostředí ovlivňující úrodu, jako je vítr, vlhkost, teplota nebo vlhkost půdy, a to na ploše až 30 akrů. Tyto vysoce moderní bezdrátové snímače se již úspěšně používají na vinicích v Kalifornii. Dalším takovým prostředkem jsou stále běžněji používané drony, což jsou dálkově ovládané bezpilotní letouny, které zemědělcům pomáhají udělat si přehled o plodinách na celých polnostech. Lehké nízko letící průzkumné letouny mohou pořizovat detailní snímky, díky nimž zemědělci včas poznají, kde a kolik herbicidu je nutno aplikovat a kde je nutné zavlažování. Nejmodernější drony pořizují infračervené snímky listoví plodin o vysokém rozlišení. Ty ukazují, zda má plodina dostatek vody a živin. V Japonsku se drony používají i pro postřik; tak lze dodávat pesticidy přesně tam, kde je jich zapotřebí. 75 Maso bez masa Je zřejmé, že chov dobytka je extrémně neefektivní z hlediska spotřebovaného krmiva a rozlohy využívané půdy a může být pro zvířata dokonce krutý. Živočišné hospodářství je kromě toho hlavní příčinou globálního oteplování a jeho vedlejší produkty znečišťují pitnou vodu. Zdá se, že tuto situaci nelze řešit snižováním výroby; je nutno přijmout radikálnější řešení, s nímž nám může pomoci věda. Vědci experimentují s produkcí masa v laboratořích již od roku 2008. Odebírají vzorky tkání z průměrných kusů dobytka a pokoušejí se z této buněčné kultury vypěstovat svalovou tkáň. Například porce masa do jednoho hamburgeru obsahuje 20 tisíc svalových vláken. Maso vyrobené touto metodou není geneticky modifikované; buňky jsou zcela stejné jako buňky vyvinuté přirozeně v těle zvířete. Proces je vysoce efektivní, protože z jednoho vzorku lze vypěstovat až 20 tisíc tun hovězího masa. Tímto způsobem by bylo možno zmenšit rozlohu půdy a spotřebu vody nutnou pro chov dobytka o 90 % a spotřebu energie o 70 %. Cesta k úspěšné produkci masa pro lidskou konzumaci bude ještě dlouhá a bude vyžadovat mnoho laboratorních výzkumů. Motivace je ale jasná: organizace na ochranu zvířat PETA vypsala odměnu ve výši milionu dolarů pro první vědecký tým, kterému se podaří vypěstovat jedlé kuřecí maso. Fakta a údaje 70 % půdy je využíváno především pro chov dobytka. 50 % pitné vody spotřebuje právě dobytek. 50 % produkce skleníkových plynů jde na vrub chovu dobytka. 76 Jedli byste brouky? OSN v nedávné době zveřejnila podrobnou zprávu o jedlém hmyzu, která naráží na skutečnost, že v důsledku nadcházející potravinové krize bude stále více lidí nuceno konzumovat hmyz bohatý na bílkoviny. Pro řadu lidí je tato představa nechutná; je ale třeba mít na paměti, že hmyz je v některých kulturách součástí potravy již tisíce let a i v dnešní době jej konzumují téměř dvě miliardy lidí po celém světě. Jídlo budoucnosti: mikrořasy Řasa je jednou z nejslibnějších rostlin, které by mohly zachránit svět před hladem. Řasy jsou vodní rostliny a rostou tedy mnohem rychleji. Díky tomu lze na ploše jednoho hektaru vyprodukovat stejné množství bílkovin jako na 21 akrech sóji nebo 49 akrech kukuřice. Řasy kromě toho nabízejí i obrovskou biodiverzitu: na světě je více než 800 tisíc druhů řas. Najdeme mezi nimi jednobuněčné i vícebuněčné druhy; příkladem je 60 metrová mořská chaluha. Řasy produkují uhlohydráty, oleje, bílkoviny, vitamíny, barviva i organické látky. To umožňuje jejich rozsáhlé využití v nejrůznějších oborech, jako je potravinářství, výroba krmiv, kosmetika, farmacie nebo třeba výroba biopaliv. Jejich význam je značný i z jiných důvodů: 90 procent kyslíku na celé planetě vzniká procesem fotosyntézy v řasách; materiály vyrobené z řas jsou tedy vhodné i pro pohlcování oxidu uhličitého. Fotobioreaktor Produkce mikrořas v průmyslovém měřítku je v našich klimatických podmínkách možná jen uměle. Řasy se proto pěstují v uzavřených systémech za podmínek optimalizovaných pomocí vhodné kombinace přírodního a umělého světla a teploty. Tato zařízení se nazývají fotobioreaktory. Řasy vypěstované ve fotobioreaktorech lze použít pro výrobu velmi důležitých přípravků, jelikož změny optimálních podmínek vyvolávají stresovou reakci, jež často vede k produkci nových látek nebo k náhlému zvýšení produkce již vytvářené látky. Jde například o bioreaktory vyrábějící vodík. O některých zelených řasách je již dlouho známo, že mohou vyrábět vodík: za určitých podmínek totiž spotřebovávají živiny vznikající při fotosyntéze. Tento proces se nazývá biofotolýza. Nedostatek síry a kyslíku vede ke zvýšení produkce vodíku v takové míře, která umožňuje výrobu energie. (Deficit síry „vypne fotosyntézu“, takže pro řasu nabude většího významu proces výroby energie, při němž vzniká též vodík.) Byla již přihlášena celá řada patentů na výrobu aktivních látek (např. ingrediencí do léků nebo výživových doplňků). Jedním z nejvýznamnějších je řasový olej, který má řadu pozitivních účinků na zdraví, protože obsahuje velké množství nenasycených látek. V důsledku určité míry stresu lze ale podstatně zvýšit i obsah omega-3 mastných kyselin. Příjem omega-3 mastných kyselin je pro člověk extrémně důležitý; mnoho lidí jich ale nekonzumuje dostatek a poměr omega-3 a omega-6 mastných kyselin je též nesprávný. 77 Inteligentní obaly potravin pro budoucnost Balení potravin se v dnešní době věnuje téměř tolik výzkumných kapacit jako potravinám samým. Inovace a moderní řešení zajišťují, aby potraviny zabalené v krabicích, fóliích a láhvích zůstávaly čerstvé a bezpečné. Kromě bezpečnosti potravin je ale nutno brát ohled i na ochranu životního prostředí – a právě to motivuje výzkumníky k vývoji nových technologií. Nová éra balení potravin Rostoucí množství obalů potravin po celém světě má několik důvodů. Více než polovina světové populace žije ve městech, kde jsou možnosti samostatného pěstování potravin velmi omezené. 3,5 miliardy lidí žijících ve městech si tak potraviny kupují mimo svůj domov, a tedy zabalené. Ke zvyšování produkce balených potravin přispívá i rostoucí počet samostatně bydlících lidí, kteří požadují menší porce potravin, a šířící se zvyk jíst venku cestou přes město. Obaly potravin ale bohužel končí téměř ihned po otevření v odpadkovém koši, přičemž významné procento těchto odpadů (plasty, PET láhve nebo plechovky od nápojů) se rozkládají dlouhá staletí. Kromě ohromného množství obalových materiálů jsou problémem i spousty vyhozeného jídla, a to zejména v rozvinutých zemích. Vyhazujeme totiž nejen zbytky vzniklé při přípravě jídla, ale také hotové jídlo, které nesníme. Nejsmutnější je ale to, že většinu jídla vyhodíme do koše i s obalem: co se nesní včas, to se vyhodí, aniž bychom obal vůbec otevřeli. Fakta a údaje 1,3 miliardy - tolik tun vyprodukovaných potravin je každý rok zničeno nebo vyhozeno; jde zhruba o třetinu celkové produkce. 95–115 kg - tolik potravin na osobu skončí v průmyslových zemích v odpadu každý rok. 78 Výzkumní pracovníci se snaží tento složitý problém řešit zaváděním celé řady inovativních řešení v balení potravin. Jedním z jejich hlavních cílů je podstatně snížit množství vyhazovaných potravin tím, že se prodlouží doba, po kterou jídlo vydrží v obalu čerstvé. Toho lze dosáhnout zamezením přístupu kyslíku, což zabrání množení degradujících bakterií. Divize plastů společnosti BASF vyvinula též speciální kompozitní materiály, které se používají pro balení krájeného masa, salámů a sýrů do vaniček. Vanička, jež je ve styku s potravinou, je vyrobena z polyamidu, jenž je zároveň pevný a ohebný a především zadržuje kyslík a oxid uhličitý. Navrchu je fólie na bázi polyamidu BOPA (Biaxially Oriented Polyamide), který je extrémně ohebný a odolný proti roztržení a jehož vnitřní vrstva slouží jako bariéra nepropouštějící vzduch. Další technologií pro balení čerstvých potravin je MAP (Modified Atmosphere Packaging, balení v ochranné atmosféře). Tato technologie nahrazuje vzduch obklopující potravinu ochrannou atmosférou upravenou podle druhu jídla. Příkladem může být směs dusíku a oxidu uhličitého. Tyto pomalu reagující plyny nahrazují kyslík a zpomalují růst mikrobů, aniž by bylo nutno použít konzervační prostředek. Kromě zajištění hygienických podmínek je dalším významným cílem vědců v potravinářském průmyslu i ekologická šetrnost obalových materiálů. K dosažení tohoto cíle slouží biologicky rozložitelné plasty; s těmito materiály se budeme potkávat stále častěji, protože se z nich vyrábí stále více tašek a pytlů do odpadkových košů. Chemická společnost BASF je na špici vývoje i v oblasti biologicky rozložitelných plastů. Její polyester Ecoflex®, který se vyrábí s využitím bakterií a plísní, vody, oxidu uhelnatého a biomasy, se rozloží během několika týdnů a nenechá po sobě žádné zbytky. Ecoflex® se používá jako povrchová vrstva papírových kelímků, pro balení potravin do smrštitelné fólie a také pro výrobu pytlů pro domácí kompostování. 79 Jak funguje kompostování? Kompostace je biologický proces, během něhož se organický odpad (zbytky potravin, čajové sáčky, zahradní odpad apod.) přirozeným rozkladem přeměňuje na látku podobnou humusu. Tento materiál se nazývá kompost a lze jej použít např. pro zvýšení úrodnosti půdy. ? Věděli jste, že... • Recyklovatenosti obalových materiálů mohou napomoci aditiva. Produkty společnosti BASF, které přispívají ke snižování spotřeby materiálů a zrychlování jejich recyklace, obsahují aditiva, jež zvyšují pružnost plastů i jejich odolnost vůči stárnutí a roztržení. Používají se v procesech, jako je např. recyklace PET lahví od nápojů. Aditiva společnosti BASF z rodiny Joncryl® zajišťují, aby měl recyklovaný materiál stejné kvalitativní vlastnosti jako nový PET. Chemické látky společnosti BASF pro papírenství kromě toho umožňují výrobu nového papíru a kartonu z recyklovaných vláken. Obal: inteligentní kontrolor potravin U potravin podléhajících zkáze lze jen obtížně stanovit přesnou dobu trvanlivosti, jelikož ta silně závisí na skladovací teplotě. Při teplotě 8 až 10°C se potraviny mohou kazit až desetkrát rychleji než při 0°C. Proto se pracuje na vývoji inteligentních indikátorů pro potravinářský průmysl, které okamžitě signalizují, že jídlo již není poživatelné. Švýcarští vědci zabudovávají do obalů potravin „čichové systémy“ sledující kvalitu potraviny. Systém měří teplotu, vlhkost a změny koncentrace některých složek. Při dozrávání ovoce se mění koncentrace etylénu; přítomnost hexanolu naopak znamená, že je ovoce zkažené. Snímače ale rozpoznají přítomnost i dalších patogenů a vlivů UV záření, případně i netěsnost, vysychání a jiné problémy s obalem. Odbarvování obalů také signalizuje nepříznivé hodnoty a může se stát, že obal nebude možné otevřít. Problém doby trvanlivosti se nevyhýbá ani mraženým potravinám, jelikož si nemůžeme být jisti, zda byla potravina skutečně správně zmražena. Indikátor teploty jako funkce času, který vyvinula společnost BASF, pomáhá monitorovat potraviny na cestě z výroby k prodejci, takže zákazníkovi stačí podívat se na štítek a zjistí, zda byl výrobek na cestě do jeho mrazáku neustále udržován v hluboce zmrazeném stavu a správně skladován. Pro tisk štítků OnVu™ ICE se používá inkoust citlivý na teplotu; čím tmavší barva, tím lépe bylo u chlazených a mražených potravin dodrženo správné skladování. Jinou technologií, jak kontrolovat skutečný stav potravin, je identifikace na rádiových frekvencích (RFID). Tradiční čárový kód je nahrazen elektronickým čipem na obalu, v němž jsou uloženy veškeré důležité informace o dané potravině: složení, obsah alergenů a samozřejmě datum trvanlivosti. Informace z čipů RFID lze rychle a snadno načíst a zjistit tak, zda byla daná potravina správně vyrobena a jakou cestou se dostala na místo prodeje. Odbarvování obalů také signalizuje nepříznivé hodnoty a může se stát, že obal nebude možné otevřít. 80 Světová senzace: první samochladicí plechovka Samochladicí plechovka sníží teplotu nápoje o 1°C za tři minuty. V plechovce ChillCan je válcová komora s vysokotlakým plynným CO2, na jejímž konci je ventil prostupující dnem plechovky a zakrytý tlačítkem. Když uživatel toto tlačítko stiskne, ventil se otevře a oxid uhličitý začne unikat z plechovky do ovzduší. Při expanzi absorbuje teplo z okolní kapaliny a snižuje tak její teplotu. Tato speciální plechovka je již v prodeji v USA; obsahuje energetický nápoj. Sníst jídlo i s obalem? ?? Někteří lidé jsou toho názoru, že obaly příští generace budou mít zcela jinou funkci: kromě uskladnění jídla budou samy o sobě též jedlé. Průkopníkem jedlých obalů je Dr. David Edwards z harvardské univerzity, profesor aplikované biomedicíny. Edwards se svým týmem vyvinul jedlou membránu vyrobenou z biologicky rozložitelného polymeru a částic jídla, která by mohla nahradit tradiční obalové materiály jako celofán nebo karton. Tato jedlá membrána, která nese název „Wikicell“, funguje jako přírodní „láhev“ a je to podobná kůře nebo slupce, která chrání dužinu ovoce. Edwards věří, že v membráně Wikicell lze skladovat potraviny jakéhokoli druhu. Jeho tým zatím dokázal vytvořit tomatovou membránu obsahující polévku gazpacho, grepovou membránu s vínem apod. Kromě toho Edwards vyvinul prototyp láhve s povrchovou vrstvou podobnou skořápce vejce, kterou lze buď oloupat nebo sníst i s membránou pod ní. Tento materiál podobný membráně dnes běžně používají kapsle na čisticí prostředky, v nichž je kapalný čisticí prostředek zabalen v průhledném materiálu podobném fólii, jenž se rozpustí teprve během praní v pračce, když přijde do styku s vodou. Dnes se nám sice zdá nepředstavitelné zakousnout se do sendviče i s jeho obalem, ale jedlé obaly budou dříve či později určitě hrát významnou roli. Na vývoji jedlých obalových materiálů pracuje celá řada vědeckých týmů v různých částech světa – tyto materiály bude brzy možno použít pro balení nealko nápojů, sladkostí a dokonce i masa. 81 Design ve službách udržitelných metod balení Jak ukazují předchozí odstavce, doby, kdy jedinou funkcí obalů bylo skladování potravin a případně upoutání pozornosti zákazníků přitažlivým vzhledem, jsou už dávno pryč. Tato poslední uvedená funkce je samozřejmě stále důležitá; hlavní úsilí návrhářů se ale soustředí na vytvoření obalu, který bude dokonale funkční a zároveň přírodní. Díky tomuto úsilí stále stoupá množství obalů potravin z recyklovaného papíru, který je vhodný pro balení bio produktů. Vědci ale varují, že tyto recyklované materiály mohou obsahovat zbytky inkoustu a tedy i škodlivé minerální oleje. Proto je nutno mezi recyklovaný papír a vlastní potravinu vložit tenkou ochrannou vrstvu. V regálech obchodů se také může pěkně vyjímat „inteligentní láhev“, která představuje přechod od tradičních pevných nádob k ? měkkým vakům. Vyrábí se z ohebné fólie a v rozích má tvrdé ploché těsnění, které zjišťuje pevnost a udržuje tvar nádoby. Tato konstrukce umožňuje dodávat obaly ve složeném stavu a snížit jejich ekologickou stopu po spotřebování obsahu. Proces balení dále zahrnuje označení a tisk štítků. Škodlivé barvy na bázi oleje jsou stále více nahrazovány ekologicky neškodnými barvami na bázi vody. Pokud jde o návrh štítků, největším průlomem bude zavedení prvních pohyblivých obrázků na obalech. Zní vám to futuristicky? Na řešení tohoto problémů už pracuje několik skupin vědců a obaly s pohyblivými obrázky jsou již implementovány v rámci zkušebních projektů. Důvod, proč je zatím nepotkáváme v obchodech, spočívá v tom, že jsou příliš drahé a výrobci je proto zatím nepoužívají. Věděli jste, že... • Japonsko je Mekkou balení potravin: pochází odtud celá řada typů balení, které získaly ocenění za design. Japonci v mnoha případech používají pro balení bambus a jiné materiály rostlinného původu; dokonce i talíře a hůlky jsou většinou z bambusových vláken. Jsou v čele vývoje nejen pokud jde o používání materiálů, ale i technologicky. Jedním z jejich průlomových objevů je „Ultra-Freshness Preservation Freezing System“ (Mrazicí systém pro maximální zachování čerstvosti), který slouží k balení čerstvých ryb. Tento rychlomrazicí systém využívá zároveň střídavý i stejnosměrný proud při vysokém napětí pro rychlé zchlazení produktu bez oxidace, což zmenšuje velikost ledových krystalků vznikajících v buňkách v potravinách. 82 Věda o mražení Velikost ledových krystalků vznikajících během procesu mražení má zásadní vliv na kvalitu zmrazeného jídla, protože velké krystalky poškozují buněčné stěny a membrány, takže jídlo po rozmražení nenabude původního tvaru. Malé krystalky znamenají menší poškození. Velikost krystalků vznikajících během mražení – nebo krystalizujících z roztoku – závisí na rychlosti dvou procesů: tvorby jader a rychlosti růstu krystalů. Jestliže první z nich probíhá rychle a druhý pomalu, vznikne velké množství malých nebo dokonce mikroskopických krystalků, zatímco v opačném případě vznikne jen málo velkých krystalů – v přírodě existují obrovské krystaly o hmotnosti několika tun. Rychlé chlazení zvyšuje rychlost tvorby jader, a proto se v potravinářském průmyslu používá nejčastěji. Nejlépe jej lze dosáhnout s použitím kapalného dusíku, který dokáže potravinu zmrazit až na teplotu -196 °C. Fermentované výrobky (např. sýry nebo víno) vždy obsahují látky, které jsou ve velkém množství toxické. Dalším příznakem kažení potravin bohatých na bílkoviny může být zvýšené množství biogenních aminů. Biogenní aminy vznikají z aminokyselin (což jsou produkty hydrolýzy bílkovin) prostřednictvím dekarboxylace během procesu fermentace a kažení potravin. Fermentované výrobky (např. sýry nebo víno) vždy obsahují látky, které jsou ve velkém množství toxické. Celkové množství čtyř hlavních biogenních aminů, tj. histaminu, tyraminu, putrescinu a kadaverinu (poslední uvedená látka představuje toxický odpad) je ukazatelem kažení masa. V dnešní době již existují inteligentní obaly nebo malé lepicí štítky, které signalizují zvýšené množství těchto aminů pomocí změny barvy. Ta ukazuje, zda je maso zkažené. 83 Věda v kuchyni Inovace usnadňují náš každodenní život mnoha způsoby. To samé platí i pro potraviny, které se vyvíjejí stejně jako každá oblast našeho života. Výživa i kuchyně projdou v příštích dekádách takovou změnou, že možná ani nepoznáme, co máme na talíři. Jídlo však naopak pozná nás… Chytrá kuchyně, inteligentní přístroje Vývoj domácích spotřebičů je jako každá jiná oblast určen měnícími se potřebami lidí. Přípravou jídla chceme strávit méně a méně času, ale chceme také jíst zdravá a výživná jídla, která dobře chutnají i vypadají. Kromě toho bychom si v kuchyni také rádi užili moderní nástroje, protože jsme si na ně již zvykli v jiných oblastech. Vybavení budoucí kuchyně se snaží těchto cílů dosáhnout a nejspíš je budeme považovat za fascinující, stejně jako byly ohromeny naše babičky, když poprvé uviděly ledničku nebo mikrovlnou troubu. Budoucí kuchyně nám bude připomínat dobře vybavenou laboratoř, ve které jsou chytré spotřebiče ve skutečnosti vlastně různými čidly, jež například rozpoznají náš hlas, a když vstoupíme do kuchyně, automaticky rozsvítí světla. Naše kuchyně bude znát naše stravovací návyky a možná nám náš holografický kuchař doporučí potraviny, nápoje a vůbec zdravou výživu. Na dotykové obrazovce si vybereme oblast, která se má na sporáku zahřívat a v hydroponické (bez půdy) „kuchyňské zahrádce“ si vypěstujeme vlastní zeleninu. Nástroje budou moci mezi sebou navzájem komunikovat, takže když si v digitální kuchařce vybereme recept na hovězí pečeni, chytrá lednička okamžitě spustí program rozmrazování masa. Když už mluvíme o ledničkách, inženýři již vymysleli ledničky, o nichž si na první pohled můžeme myslet mnoho věcí kromě toho, že by toto zařízení mělo stát v kuchyni. Jedinečným nápadem je koncept biorobotické ledničky, jež využívá speciální gelovitou látku, která do sebe vložené jídlo zadrží a ochlazuje. Nejen vzhled, ale i fungování designu oceněné lednice jsou neobvyklé, jelikož lednice nemá motor ani jiné tradiční technologie, které většinou v lednicích bývají. Obsahuje jen speciální biopolymerový gel vyvolávající chemické chlazení. Chcete-li ledničku použít, prostě jen zatlačíte potravinu do gelu, který je bez zápachu a není lepkavý. Jídlo je v gelu zadržováno a ochlazováno, dokud jej znovu nepotřebujete. Chladicími činidly jsou v gelu obsažení „bioroboti“, kteří využívají luminiscenci – světlo generované při nízkých teplotách – pro uchovávání potravin. Přístroj k chlazení nevyužívá žádnou energii, potřebuje pouze energii na svůj malý ovládací panel. 84 Sedněte si na lednici! Inženýři společnosti BASF z oddělení plastů také vytvořili lednici budoucnosti, která je založena téměř výhradně na speciálním plastu. Vzhledem k dobré tvárnosti materiálu není tvar konceptu lednice Coolpure 1.0 obvyklá kostka: jedná se o designový předmět, který lze v kuchyni rovněž využít k sezení. Plasty mají dobré izolační vlastnosti, takže jsou tyto ledničky také energeticky úspornými přístroji. Lekce vaření a chemie v jednom Špetka soli, hrstka rýže – tyto výrazy zcela určitě v kuchyni budoucnosti neuslyšíme. V takové kuchyni bude teplota přesně určena na půl stupně Celsia a doba vaření se bude měřit v sekundách. To samozřejmě neznamená, že se musíme vzdát radosti z tvoření a experimentování v kuchyni, činící z vaření umění. Kuchařům budoucnosti budou pomáhat různé postupy vaření, které budou vyžadovat téměř vědeckou přesnost. Fyzikální a chemické postupy používané v molekulární gastronomii vyvinuli podnikaví kuchaři a vědci. Brzy budeme moci tyto procesy kopírovat. Základem této nové přípravy jídel je, že zvláštní chuť a textura potravinových zázraků jsou připraveny z přísad, jež byly chemicky rozloženy na malé kousky, a to pomocí speciální techniky a technologicky vyspělých přístrojů. Hlavní koncept spočívá v tom, že je na vaření pohlíženo z vědeckého hlediska, ovšem jako na každodenní činnost. Výsledkem je nový a inovativní kulinářský zážitek. V důsledku toho mohou vzniknout extrémní pokrmy, jako je jablečný pudink s borůvkovými špagetami, třaskavé hrachové koule či molekulární malinový vzduch. 85 Gastronomické reformy Termín molekulární gastronomie vznikl při setkání fyzika Nicholase Kurtiho a fyzikálního chemika Henré Thise. Specialitou maďarského rodáka Nicholase Kurtiho byla termodynamika a provedl spoustu pokusů s materiály při extrémně nízkých teplotách. Mrzelo ho, že lidé vědí více o vnitřní teplotě hvězd než o vnitřní teplotě rýžového pudinku. Rozhodl se proto, že širokou Jak se ale tyto speciality připravují? A z čeho? Kromě běžných každodenních ingrediencí, jako je zelenina a ovoce, potřebujete také materiály, které mění obvyklý tvar a texturu ingrediencí. Tyto materiály a základní procesy molekulární gastronomie jsou pravidelně využívány v potravinářském průmyslu, ačkoli zde vzhled nehraje takovou roli. V molekulární kuchyni by pokrmy měly být neočekávané, což znamená, že vzhled a chuť by si na první pohled neměly odpovídat. Chtěli byste ochutnat misku špaget, pokud byste předem věděli, že chutnají jako červený rybíz? Případně, jedli byste kaviár, kdybyste věděli, že má vanilkovou příchuť namísto očekávané rybí? Emulgace Často používanou přísadou je emulgátorová pasta vyráběná z živočišných a rostlinných tuků. S tímto materiálem lze na koloidní úrovni kombinovat nemísitelné složky, a dosáhnout tak ohromujících chutí a textur potravin. veřejnost seznámí s vědeckou stránkou kulinářského umění. Byl to on, kdo vytvořil termín molekulární gastronomie, a byl to také on, kdo zorganizoval první konferenci o molekulární gastronomii. Byl hluboce přesvědčen, že chemii a fyziku nelze od procesů v kuchyni oddělit. Naléhal proto, aby se kuchařům dostalo také vědeckého vzdělání na vysoké úrovni. Nyní se můžete také seznámit s některými procesy molekulární gastronomie pro změnu textury: Aerifikacet U této metody je z přírodních surovin, jako jsou vajíčka či sója, extrahován lecitin, jenž je následně použit pro napěnění a aerifikaci. Tato metoda se používá v molekulární gastronomii i potravinářském průmyslu. Sférifikace Sférifikace je technika, kdy se z kapaliny stává gel. Lze dosáhnout dvou druhů výsledků: při pomalé gelifikaci (želírování) se z celého materiálu stane želatina, anebo lze vytvořit kuličky, které zůstávají uvnitř kapaliny (tento způsob odkazuje na název techniky – sférifikace). Sférifikační vlastnosti má alginát extrahovaný z řas a chlorid vápenatý. Tyto látky tvoří ve vodě nerozpustnou sloučeninu, která vytváří na povrchu kapek povlak (ochucený, zbarvený roztok alginátu je nakapán do roztoku chloridu vápenatého). 86 Napěnění za tepla K napěňování surovin za tepla se používá metilgel, materiál vyrobený z celulózy. Jeho hlavní vlastností je, že při teplotách nad 60 °C dobře želíruje a během ochlazování měkne. Proto je široce využíván v potravinářském průmyslu pro přípravu předvařených pokrmů a v kulinářském umění se používá jako pojivo. Kapalný dusík Ultrazvuková homogenizace Při míchání surovin s různou polaritou, např. při hladkém vymíchávání oleje a octa, je ultrazvuková homogenizace mnohem účinnější než mechanické míchání. Oscilace zvukové vlny mezi 20 kHz a 10 MHz rozpohybuje materiál na molekulové úrovni. Takže více složek, jako je olej a ocet, lze smíchat a vytvořit dokonalou emulzi. Nejviditelnějším prvkem v molekulárním vaření je bezpochyby lázeň s kapalným dusíkem. Při -196 °C lze v kapalném dusíku zmrazit různé potraviny. Tento proces navíc doprovází efektní uvolňování páry. Stačí například namíchat suroviny na zmrzlinu a můžete ji ihned zmrazit, když na ni nalijete kapalný dusík. Takto lze také rychle zmrazit maso pro uchování. 87 ? Věděli jste ! • Vnímání chuti může ovlivnit také hmat. Zkuste to! Se zavřenýma očima ochutnejte kopeček zmrzliny a přitom se dotýkejte kousku sametu: ucítíte, že je zmrzlina krémovější. Potom si při ochutnávání otřete ruce o brusný papír. Máte pocit, že je konzistence zmrzliny hrudkovitější? Mistr světa v molekulární kuchyni TIP • Chcete-li si vyzkoušet molekulární gastronomii, můžete získat některé základní nástroje, s jejichž pomocí můžete vytvořit zvláštní pokrmy. Například se „Spaghetti kit“ (Špagetovou sadou) můžete z jakéhokoli tekutého materiálu připravit jídlo ve tvaru špaget. Pomocí „Caviar Box“ (Krabicí s kaviárem) můžete opět z jakékoli tekutiny vytvořit malé barevné kuličky. 1 Postupy molekulární gastronomie používá v dnešní době stále více a více slavných kuchařů. Titul „World’s Best Chef“ (Nejlepší kuchař na světě) vyhrál Heston Blumenthal. V jeho restauraci v Anglii si hosté mohou vychutnat zvláštní pokrmy, jako jsou křupky ze zeleného čaje, marinovaný losos Mignon s japonskými mořskými řasami a vanilkovou majonézou či kaše ze šneků se zelenou petrželkou. 88 Pojďme vařit ve vakuu! Většina kulinářských procesů začíná „ve velkém měřítku“, což znamená, že jsou nejprve aplikovány ve velkých kuchyních a restauracích a pro hobby kuchaře jsou k dispozici až později. Stejné to bylo se stále módnějším vařením sous-vide neboli vakuovým vařením, které bylo původně používáno pouze michelinskými kuchaři. Tato technika ale byla tak praktická, že se začala velmi rychle šířit. Pomocí tohoto postupu lze připravit chutná a zdravá jídla, která lze uchovávat po dobu několika týdnů. Metoda spočívá v tom, že suroviny – maso, vnitřnosti či zelenina – jsou vakuově zabaleny a vaří se ve vodě po relativně dlouhou dobu (až 72 hodin) při nízké konstantní teplotě okolo 60 °C. Vakuum je zde důležité, jelikož nepřítomnost vzduchu zabraňuje oxidaci potravin, takže neztratí barvu, a v potravinách se pak také nemohou rozmnožovat aerobní bakterie, které odpovídají za rozklad. zejména na teplotě tání tuků v mase a na vlastnostech bílkovin. Hovězí plec například potřebuje na uvaření 24 hodin při 54,5 °C, drůbeží stehýnka 4–8 hodin při 71 °C. Výhoda vaření ve vodě při nízké konstantní teplotě spočívá v tom, že voda může přenášet teplo do potravin pomalu, ale konstantně, protože přenáší teplo desetkrát účinněji než vzduch. Jídlo je pak chutnější, jelikož při teplotě 50 až 60 °C je tepelný rozklad složek menší a v potravinách zůstane také tuk. V neposlední řadě zůstávají v potravinách zachovány živiny, minerály, soli a vitamíny. Teplota a doba vaření se pro každou surovinu samozřejmě liší, a to v závislosti Některé potraviny zpracované technikou sous-vide lze konzumovat okamžitě, například zeleninu, maso stačí osmažit na několika kapkách oleje. Chcete-li ale jíst jídlo později, musíte ho po vyjmutí z vody šokově ochladit, to znamená, že musí být rychle ochlazeno na méně než 3 °C. Potom lze potraviny bezpečně skladovat 21 až 40 dní. Fakta a čísla 50 % - Kuchyně, které používají techniku sousvide, pravidelně ušetří 50 % energie. 89 Vytiskni mi oběd 3D tisk je nová technologie, která může mít vliv na vícero oblastí našeho života. A nevyhýbá se ani naší kuchyni. Pohodlná a rychlá metoda byla původně vynalezena pro výrobu prototypových dílů, které byly navrženy na PC pro průmyslovou výrobu. Později ale tuto metodu objevil i potravinářský průmysl. Ačkoli mnoho lidí asi nikdy nepřemýšlelo o steaku vytištěném 3D tiskárnou, stane se tiskárna potravin brzy základním kuchyňským přístrojem. Jak 3D tiskárna funguje? 3D tiskárna na sebe po vrstvách nanáší speciální materiály uložené v kazetě. Vrstvy na sobě vytvrdnou, a tak lze vytvořit 3D předmět. 3D tiskárny potravin fungují na stejném principu s jediným rozdílem – materiál v kazetě je nahrazen jedlým materiálem, např. sacharidy, proteinovými prášky či vitamíny. Tiskárna tyto složky vrství na sebe, dokud jídlo není připraveno. Tisk čokolád či sušenek již pro společnosti, které se zabývají tiskem potravin, není problémem. Americká společnost Oreo, známý výrobce kakaových sušenek, nedávno představila 3D vytištěnou verzi svého výrobku. Nyní vývojáři pracují na vytvoření složitějších jídel, jako je pizza, u níž je potřeba upéct během tisku těsto a rajčata a další přísady lze na těsto položit až po tomto postupu. 90 Proč ale takový revoluční přístroj? Na jednu stranu lze zastavit produkci potravinových odpadů, protože materiály v kazetách tiskárny se nemohou zkazit. V těchto potravinových kazetách jsou sacharidy, bílkoviny, makronutrienty a mikronutrienty a vitamíny v práškové formě; jejich skladovatelnost může být až 30 let. Další velkou výhodou tisku potravin je, že umožňuje zdravou, individuálním potřebám uzpůsobenou a rozmanitou výživu. Recept lze jediným tlačítkem ihned změnit podle přání zákazníka – může se jednat o postarší osobu, těhotnou ženu, dítě či osobu se speciální dietou. Zaměření této nové kuchyňské technologie není tedy jen na pohodlí, ale i na důležitější faktor: výživa může být uzpůsobena individuálním potřebám, například specifickým požadavkům lidí se zvláštní dietou. ? Věděli jste • Technologii 3D tisku potravin podporuje NASA, která uzavřela smlouvu se společností na výrobu tiskáren. NASA totiž čelí potížím se zajištěním správného množství potravin po astronauty ve vesmírných stanicích. Jste to, co jíte Toto rčení je pravdou již tisíce let. Většina škodlivin se do našeho těla dostane prostřednictvím toho, co zkonzumujeme, přičemž jídlo je také zdrojem důležitých (esenciálních) živin. A proto je velmi důležité, co jíme. Velmi důležitá je pestrá strava. Nepostradatelnou součástí zdravé stravy je, aby živiny, které jsou pro fungování našeho těla nezbytné, byly dodávány v dostatečném množství bez ohledu na to, zda se jedná o makronutrienty (sacharidy, tuky, bílkoviny) nebo mikronutrienty (stopové prvky, vitamíny antioxidanty). Zdraví upevňující potraviny – či funkční potraviny – jsou také inovativní potraviny. Jednou z prvních funkčních potravin je jodizovaná sůl, která stále patří k nejprodávanějším. (Jód je základním prvkem pro správnou funkci štítné žlázy.) Inovativní techniky vaření mají vysokou nutriční hodnotu, neboť zachovávají aktivní zdravé složky potravin a vytvářejí nové možnosti pro začlenění látek chránících zdraví do našich jídel. Toto rčení je pravdou již tisíce let. 91 obsah Úvod2,3 Život ve městě Budoucnost vody – jak věda uhasí naši žízeň? 4,5 6-11 Čistý vzduch – za pomoci vědeckých metod 12-19 Moderní města budoucnosti 20-31 Chytrá energie 32,33 Přehodnocené zdroje energie34-43 Světelné zdroje budoucnosti 44-55 Nové vyhlídky v oblasti dopravy 56-67 Udržitelný potravinový řetězec 68,69 Čím se budou živit příští generace? 70-77 Inteligentní obaly potravin pro budoucnost 78-83 Věda v kuchyni84-91 92 bere na vědomí 93