Sanayide ısıtma için büyük devrim: Mikrodalga

Tokyo Üniversitesi’nden Fuminao Kishimoto ve ekibi, bu israfı azaltabilecek yeni bir yöntem geliştirdi. Mikrodalga fırınlarda kullanılanlara benzer dalgaları, dev reaktörlerin içindeki “doğru atomlara” odaklayarak sadece gereken noktayı ısıtmayı başarıyorlar. Laboratuvar deneylerinde, geleneksel yöntemlere göre yaklaşık 4,5 kat daha yüksek enerji verimliliği elde edildi. 

ENERJİ VERİMLİLİĞİ ARAYIŞI

İklim krizi sadece elektrik üretimi ve karbondioksit salımıyla sınırlı değil ama sanayide enerji tüketimini düşürmek, karbon emisyonlarını azaltmak için en kritik adımlardan biri. “Yeşil dönüşüm”ün bir parçası olarak, kimya mühendisliği ve malzeme bilimi alanlarında daha az enerji harcayan, daha az kirleten üretim yöntemleri aranıyor.

Tokyo Üniversitesi Kimyasal Sistem Mühendisliği Bölümü’nden Kishimoto ve ekibi de tam olarak bu noktaya odaklanıyor. Amaçları, özellikle kimyasal sentezde kullanılan reaktörlerde ısıyı çok daha akıllıca kullanmak. Kishimoto, kimyasal reaksiyonların aslında yalnızca birkaç atom ya da molekülün bir araya geldiği çok küçük bölgelerde gerçekleştiğini hatırlatıyor. Buna karşın bugün sanayide, içindeki reaksiyon hacmi görece küçük bile olsa, tüm reaktör ısıtılıyor. Yani enerji, asıl işe yaradığı nokta yerine her yere saçılıyor. 

MİKRODALGA İLE NOKTA ISITMA

Yeni yaklaşım, temel fikir olarak evdeki mikrodalga fırına benziyor ama çalışma şekli çok daha hassas. Mikrodalga fırınlar genelde 2,45 gigahertz civarındaki bir frekansta su moleküllerini titreştirip ısı açığa çıkarıyor. Kishimoto’nun ekibi ise farklı bir malzeme ve farklı bir frekans kullanıyor.

Yaklaşık 900 megahertz frekansında ayarlanan mikrodalgalar, bu kez “zeolit” adı verilen süngerimsi, gözenekli bir malzeme üzerinde deneniyor. Zeolitin içindeki boşlukların boyutları hassas biçimde kontrol edilebiliyor; bu sayede hem ısının nasıl yayıldığını hem de reaksiyonun nasıl ilerlediğini ayarlamak mümkün oluyor.

Bu gözeneklerin içinde, indiyum iyonları adeta anten gibi davranıyor. Mikrodalga dalgaları bu iyonları uyardığında çok lokal bir ısı oluşuyor. Bu ısı da gözeneklerden geçen reaksiyon gazlarına, yani kimyasal olarak dönüştürülmek istenen maddelere aktarılıyor. Böylece tüm reaktörü değil, sadece reaksiyonun gerçekleştiği “aktif nokta”yı ısıtmak mümkün hale geliyor.

Araştırma ekibi, bu fikri kanıtlayabilmek için Japonya’daki büyük senkrotron tesisi SPring-8’de özel bir deney sistemi kurmak zorunda kalmış. Asıl zorluk, “gerçekten tek bir atomik aktif bölge mi ısınmış, yoksa daha geniş bir alan mı?” sorusuna net yanıt verebilmek. Bu doğrulama süreci bile başlı başına dört yıl sürmüş. 

YAKIT VE GERİ DÖNÜŞÜM

Bu tür nokta atışı ısıtma teknikleri, kimya endüstrisinde özellikle çok enerji isteyen süreçlerde önemli fark yaratma potansiyeline sahip. Suyun ayrıştırılmasıyla hidrojen üretimi, metanın çeşitli yakıtlara ve kimyasal ham maddelere dönüştürülmesi gibi normalde yüksek sıcaklık ve çok enerji gerektiren reaksiyonlar, sadece gereken noktalar ısıtıldığında daha düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilebiliyor.

Bu da hem enerji faturalarının düşmesi hem de karbon ayak izinin azalması anlamına gelebilir. Araştırmacılar, zeolit “süngerinin” gözenek boyutunu değiştirerek reaksiyonun gidişini de ince ayar yapabiliyor. Daha küçük gözenekler verimliliği artırırken, daha büyük gözenekler reaksiyonun hızını ve ürün dağılımını kontrol etmeyi kolaylaştırıyor.

Aynı yöntem, sadece yeni yakıtların üretiminde değil, atıkların geri dönüşümünde de kullanılabilir. Karbondioksitin metan dönüşümüne dahil edilmesi, plastiklerin kimyasal olarak daha kolay parçalanıp geri kazanılması gibi süreçler bu tür hedeflenmiş ısıtma teknikleriyle daha düşük enerjiyle yapılabilir. 

SANAYİYE GEÇİŞ SÜRECİ

Elbette her laboratuvar başarısı, doğrudan dev sanayi tesislerine taşınamıyor. Kishimoto, kullanılan malzemelerin oldukça karmaşık ve ucuz olmadığını vurguluyor. Zeolit yapısının istenen şekilde ayarlanması ve indiyum iyonlarının doğru şekilde yerleştirilmesi ciddi bir malzeme mühendisliği gerektiriyor.

Atomik ölçekte sıcaklığı doğrudan ölçmek hâlâ güç olduğu için, şu anki sonuçlar çoğunlukla dolaylı verilerle destekleniyor. Ayrıca mikrodalga sistemi ve elektrikle çalışan altyapının kendisinde de ısı ve elektrik kayıpları bulunuyor; bu da verimliliğin daha da artırılabileceği anlamına geliyor.

Araştırma grubu, konsepti yalnızca CO₂ dönüşümüyle sınırlamayı da düşünmüyor. Farklı önemli kimyasal reaksiyonlara uyarlamak, katalizörleri dayanıklılık ve ölçeklenebilirlik açısından geliştirmek ve reaktör tasarımını endüstriye uygun hale getirmek hedefler arasında. Kishimoto, önce laboratuvardan çıkıp pilot ölçekli denemelere geçmek gerektiğini, bunun da büyük olasılıkla önümüzdeki on yıl içinde mümkün olabileceğini söylüyor.

Daha geniş sanayi kullanımı ise hem bu teknolojinin olgunlaşmasına hem de yenilenebilir enerji altyapısının güçlenmesine bağlı olacak. Ekip, teknoloji şirketleri ve kimya sanayisiyle ortaklık kurarak bu adımı hızlandırmak istiyor. Eğer bu işbirlikleri sağlanır ve teknoloji beklenen şekilde ölçeklenebilirse, gelecekte dev kimya tesislerinde tüm reaktörleri ateşlemek yerine, sadece “iş gören atomları” ısıtan akıllı sistemler görmek mümkün olabilir. Bu da hem sanayi maliyetlerini hem de gezegen üzerindeki yükü azaltacak türden bir dönüşüm anlamına geliyor.