Civilizációnk előnyét tudományos és technikai vívmányaink mutatják. Bizonyos, hogy a kémia területén az elmúlt évszázad az anyagtudományban és a kapcsolódó technológiákban hagyta a legmélyebb nyomot. A mérnöki anyagok három nagy családja, a fémek, a polimerek és a kerámiák tudásalapja, ismeretünk az anyag szerkezetéről és tapasztalataink a feldolgozási technológiákról többet fejlődött az utóbbi néhány évtizedben, mint a korábbi évezredekben együttvéve. Ezen belül a polimerek kémiája létrehozott egy egészen új, mesterséges anyagcsaládot, amely az elmúlt ötven évben évi egyről 200 millió tonna felhasználási szintre növekedett a világban, ami volumenben mérve már csaknem kétszerese a világ acélfelhasználásának.
Vajon meddig folytatódhat ez a versenyfutás, ez az arányeltolódás a hagyományos és a mesterséges anyagok között? A kérdés annál inkább indokolt, mivel sokak szerint a kőolajból előállított műanyag a globalizálódó világ erőltetett fogyasztásának tipikus anyaga, amelynek gyártására elfecséreljük a Föld meg nem újítható nyersanyagát, környezetszennyező, biológiailag lebonthatatlan és összeférhetetlen az élet minden formájával, így nincs helye a fenntartható fejlődésben.
A statisztikák szerint a műanyag-felhasználás a nyugati civilizáció fejlettségének egyik mutatója lett, akárcsak a bruttó hazai termék, a GDP. Ez abból ered, hogy a mesterséges polimerekhez kötődő termékek mai technikai kultúránk elmaradhatatlan részei. E mesterséges anyagok nélkül nincs elektrotechnika és elektronika, nem készülhetnének integrált áramkörök, elképzelhetetlen a modern autó- és repülőgépgyártás, de a közművesítés infrastruktúrája, sőt még az egészséges élelmiszer-csomagolás is. A műanyagtermelés és -felhasználás valóban arányban áll az adott térség gazdagságával, a GDP-vel és a kőolaj-felhasználással is. Ebből az is következik, hogy ez az anyag az emberi jólét rendkívül igazságtalan, kirívóan egyenetlen globális eloszlásának is egyik eleme.
Ami a kőolaj-felhasználást illeti, az emberiség hatmilliárdos közösségéből a nyugati civilizációhoz tartozó („felső”) egymilliárd fő (a három fejlett régió: Észak-Amerika, Európa és Japán lakossága) elfogyasztja a kőolaj kétharmadát (2003-ban 3500 millió tonna kőolajból 2200 milliót). Ebben a felelősségben ma már az EU tagjaként Magyarországnak is osztoznia kell. Ráadásul ebből a 2200 millió tonnából a három vezető régió (USA, EU, Japán) csak 940 milliót termelt, tehát elsősorban a Föld más tájainak meg nem újuló nyersanyagát fogyasztja.
Érdekes adatot kapunk, ha a kőolajtermelésnek ezt a szédítő mutatóját (naponta tízmillió tonna, óránként négymillió hordó) összehasonlítjuk a feltárt, de termelésbe még nem fogott kőolajtartalékokéval. A világ kőolajtartalékai 1978-ban 87 ezermillió tonnányinak mutatkoztak. Ez az akkori éves fogyasztás 28-szorosa volt. Az akkori adatok tehát napjainkra a kőolajkészletek kimerülésével fenyegettek. A 2003-as felmérés szerint viszont mostani – a mai árviszonyok mellett gazdaságosan kitermelhető – kőolajtartalékaink 160 ezermillió tonnára tehetők (ami a negyed századdal ezelőttinek majdnem kétszerese).
A technológia öndiffúziója azonban megállíthatatlan: a fejlődő világrészek lakosai is mobiltelefonra gyűjtenek, tiszta ásványvízre vágynak, a jövőben számítógépet, aztán gépkocsit szeretnének venni. Ezekhez pedig műanyag is kell. Készüljön-e, és ha igen, miből műanyag a kőolaj utáni korban?
Mindenekelőtt tisztáznunk kell, mi is az a műanyag. A polimerek, a kovalens kémiai kötéssel összekötött, ismétlődő egységekből mint láncszemekből felépített makromolekulák anyagtudománya jóval szélesebb, mint a műanyagok világa. Az élő természet ugyanígy építi fel a monoszacharidokból a keményítőt és a cellulózt, a tejsav „monomerekből” a polilaktidokat, az aminosavakból a fehérjét. Elsősorban ezek a természetes polimerek adják az évenként megújuló nyersanyagbázist is, amely az erdőn-mezőn megterem, amely a növény- és állatvilág révén régóta ellátja az emberiséget, a feleslegét pedig elemészti maga a természet. Ennek a biomasszának a felhasználója a fa-, papír- és bútoripar, a textil- és bőripar, sőt végső soron maga az élelmiszeripar is. A biomassza-termelés Földünkön évi százmilliárd tonna nagyságrendű, tehát ezerszer nagyobb, mint a műanyagipar. Már csak ezért sem szűkíthetjük le a polimerek fogalmát a műanyagokra.
Nagy kockázatot vállaltunk, amikor a német Kunststoffe kifejezést fordítottuk le magyarra. A műanyag szó ugyanis sokakban még ma is hamisan cseng, és szemben áll a valódi anyagokkal. Pedig az acél sem fordul elő a természetben, s a fémötvözetek, a kerámiák, az üveg, sőt a természetes polimer alapú papír vagy bőr is művi úton, műszaki tudás alapján jön létre, így akár ezeket is nevezhetnénk műanyagoknak. A magyar műanyag kifejezés semmit sem ad vissza a német Kunst, a művészi szintű kreativitás, az ihlettel és fáradsággal összehozott alkotás asszociációjából. A képlékenységhez, alakíthatósághoz kötődő angol plastics kifejezés is elavult. (A fémek is megformálhatók képlékeny alakítással, például mélyhúzással.) Manapság a német és az angol nyelvterületen is egyre inkább polimer anyagtudományt művelnek, és azt tanítják, azt fejlesztik. Ebbe az anyagtudományba beletartoznak a természetes polimer alapú műszaki alapanyagok is (mint a természetes gumi, a fa, a papiros, a bőr), illetve a természetes rostanyagok is, amelyeket az ember évszázadok, évezredek óta használ a textilgyártásban.
A polimer tehát korántsem összeférhetetlen a természettel, sőt maga az élet hordozója. A legösszetettebb fehérje, a DNS formájában polimerlánc adja át örökségünket, genetikai kódunkat utódainknak. A mesterséges polimerek ipara, a műanyagipar a természetes polimerek láncépítési módjainak átvételével indult a XX. század első felében: a nejlon például a fehérjeszintézis leegyszerűsített változatát valósította meg.
Ez a természetkövető alapanyag-gyártási mód éles fordulatot vett a XX. század második felében, amikor a polietilén, a polipropilén, a PVC, a polisztirol és több más mesterséges polimer tömeggyártására a vegyipar bevetette a láncreakciók technológiáját. Az eredmény az egyik oldalon rendkívüli siker: a kőolajszármazékokat olyan jó hatásfokkal tudjuk nagy szilárdságú szerkezeti anyagokká alakítani, hogy ezeknek a mesterséges műszaki anyagoknak az ára kilogrammonként alig több, mint egy kilogramm kőolajé, miközben a létrejött anyag még meg is tartja a kőolaj kilogrammonkénti fűtőértékének nagy részét. Másrészt azonban ezzel létrehoztunk egy anyagcsaládot, amely azelőtt nem létezett a természetben. Olyan végtelenül egyszerű, sőt primitív szerkezetű anyagot, mint a polietilén (amely csak szénből és hidrogénből áll, a lehető legegyszerűbb kapcsolási mód szerint), nem találunk a teremtett világban. S ezt a láncot 2000-ben már az acélénál is nagyobb fajlagos szilárdsággal gyárthatják. (Ebből készül a különleges hegymászó kötél vagy gépkocsink biztonsági vontatókötele, de készülhet belőle golyóálló mellény is.)
A XX. század technikája elképzelhetetlen a testreszabott, mesterséges polimerek, a műanyagok nélkül. Az elektrotechnika meg sem születhetett volna a nagy szilárdságú szigetelőanyagok nélkül. E technika csúcsán, a mai, ötödik generációs („Pentium”) számítógépünk agyában, az apró csokoládészelet méretű IC-ben a több mint 5 millió (!) tranzisztor rajzát polimer reziszt lakk segítségével viszik fel az integrált áramköri egység rétegeire. Polimerkompozit-szárnyú a gép, ha korszerű Boeing vagy Airbus fedélzetén átszeljük az óceánt. Számtalan egyszer használatos, steril polimer eszközt használ a modern orvostechnika. Polimer anyagok és technológiák seregét is magába sűríti az a szivarzseb méretű rádiótelefon, amelyik már az internethez is csatlakozhat, képet továbbíthat, és akár földrajzi helyzetünk (méterre pontos) meghatározását is lehetővé teszi.
A polimerkémia talán legnagyobb vívmánya az, hogy míg a tudni vágyás, a felkutatás, a megismerés korábbi szakaszában évszázadokon át az analízis, az elemző kémia dominált, addig ebben az újkori szakaszban a felépítés, a szintézis kémiája és ipara jutott érvényre. Manapság a vegyipar termelési értékének és a kémiai tudományos publikációknak és találmányi szabadalmaknak is mintegy 40 százalékát a polimerkémia adja.
Lényeges szempont, hogy e polimerek gyártására mennyi kőolajat fogyasztunk el. Nos, lehet, hogy meglepő, de manapság a kőolaj több mint 80 százaléka energetikai célokat szolgál (hajtóanyag, fűtőanyag), és csak hat–nyolc százaléka szolgálja a műanyagipart. A kőolaj elfogyasztásáért tehát döntően nem a műanyaggyártás a felelős. Éppen ellenkezőleg: egyedül a járműgyártásban, az autó- és repülőgépiparban megjelenő, növekvő műanyaghányad olyan mértékben könnyíti járműveinket, hogy az ebből eredő fajlagos üzemanyag-megtakarítás többszörösen felülmúlja az adott műanyagok előállításához használt kőolaj mennyiségét.
A természetutánzó műanyagok, a poliamidok, a poliészterek, a kazein és viszkóz alapú anyagok eleve környezetbarát, biodegradábilis anyagok. A gond a polimerizációs láncreakciókban készült újabb, úgynevezett tömegműanyagokkal látszik sűrűsödni. Ezek elemésztésére a természet eddig nem készült fel. De éppen mesterséges jellegüknél fogva ezeknek a műanyagoknak a hosszú távú, években mért stabilitása egyáltalán nem veleszületett adottság. Sok fáradságos fejlesztési munka – és sok, molekuláris mérnöki munkával megtervezett adalék – van abban, hogy PVC-ablakkereteinket vagy polietilén csatornacsöveinket ma több mint ötven évre garantálják.
Hasonló molekuláris mérnöki munkával akár önmegsemmisítő csoportokat is építhetünk a rövid felhasználásra tervezett műanyagokba, például a csomagolástechnika céljaira. A hőre lágyuló keményítőt tartalmazó műanyagok szélesedő családjáról is tanácskoztunk éppen az elmúlt hónapban Budapesten egy rangos nemzetközi konferencián. Az ilyen anyagokat azonban – például az elbomló evőeszközt a repülőkön vagy a kifőzhető rizstasakot – a szerkezetépítő mérnök ma még csak érdekességként tarthatja számon. Jó eséllyel készíthetünk viszont nagy szilárdságú és mégis biodegradábilis mérnöki anyagokat a természetes cellulózpolimerek hasznosításával, sőt újrahasznosításával.
A polimertechnika kompozit alapelve az utóbbi időben sikerrel kiterjedt a rövid szállal erősített anyagokra is. Például a 10 mikrométer (0,01 mm) átmérőjű finom üvegszálak akkor is jelentős szilárdságnövekedést okoznak a poliamidban vagy polipropilénben, ha hosszúságuk nem haladja meg az egy millimétert. A rövid üvegszállal erősített poliamid könnyen feldolgozható a modern, nagy deformációsebességgel dolgozó fröccsöntőgépeken. Nem véletlen, hogy ezt az anyagot találjuk ma minden korszerű személygépkocsi motorblokkjának üzemanyag-beszívó torkolatában, ahol még egy évtizeddel ezelőtt is alumíniumöntvényt használtak. Rövid szállal erősített kompozitokat egyszerű farosttal is létre lehet hozni megfelelő belső (határfelületi) kapcsolási technológia segítségével.
Ezekből a farosttal társított s így félszintetikus polimerkompozitokból, amelyekben hazai szabadalmak is születtek, ma már évi egymillió tonna nagyságrendben gyártanak autóipari alkatrészeket belső burkolati célra. Várható, hogy a közeljövőben ez az alapelv újrahasznosítja, extrudálhatóvá, fröccsönthetővé teszi a fűrészport és sok másféle cellulózrost-hulladékot is, méghozzá olyan kompozitokban, amelyekben ötször annyi természetes polimer (farost) is lehet, mint amennyi mesterséges polimer (például polipropilén). Az ilyen eljárások nemcsak a fahulladék nagy sebességű, hulladékmentes és kiegyenlített minőséget létrehozó feldolgozási technológiáját teszik lehetővé, hanem biztosítják az ismételt felhasználás (recycling) lehetőségét és a természettel való összeférhetőséget (biodegradabilitást) is.
A polimer szerkezetű anyagokra akkor is elengedhetetlenül szükségünk lesz, ha a jelenlegi alapanyag, a kőolaj forrása elapad vagy aránytalanul megdrágul. A polimerek csillapító, szigetelő, a fémek merev-rugalmas karakterét rendkívül jól kiegészítő tulajdonságait civilizációnk nem nélkülözheti. A polimertechnika már ma fel kell hogy készüljön erre a kőolaj utáni korszakra. A biomassza – s abban a keményítő vagy a kazein – már most is kínál (műszakilag kevésbé igényes) megoldást. A cellulózrostok újféle alkalmazása nagy szilárdságú kompozitokban együtt hasznosítja (nagyobb hányadban) a természetes polimert a mesterséges polimerrel (kisebb hányadban). Ezek a társított rendszerek újrahasznosított anyagból is készülhetnek, ismételten újrahasznosíthatók, és végső soron (természetes polimerhányaduk révén) a természetben elemészthetők.
Hogy miből fogunk gyártani számítógépet, mobiltelefont, autóülést és CD-t a kőolajtartalékok kimerülése után? Az bizonyos, hogy ezekre a szerkezeti anyagokra vagy utódaikra már csak korrózióállóságuk, súlyukhoz viszonyított nagy szilárdságuk miatt is szükség lesz. A válasz alighanem ott rejlik Oláh György Nobel-díjas professzorunk munkáiban: a kőolajhiány kikényszerítheti a metilalkoholon alapuló gazdaságot. A polimerkémia már egyszer bebizonyította, hogy a biomassza fermentációjával készült etanolból etilént és akármilyen vinilszármazékot is gyárthatunk. Ez történt, amikor a második világháború alatt egymásnak feszülő és a természetes gumi importjától elszigetelt két nagyhatalom, a németek és az oroszok – egymástól függetlenül – megvalósították a szintetikus gumigyártást. Ma is megtehetnénk. Az akadály csak az, hogy a kőolajalapú polimerkémia még mindig jóval olcsóbb. A kőolajalapú műanyagiparnak az alapanyagköltsége és energiaigénye, sőt környezetterhelése is kisebb, mint a biomassza alapú alternatíváé. Egyelőre nem hozhatjuk vissza a celofánfóliát a polipropilén film helyett, s a viszkóz szivacsnak nincs esélye a poliuretán habbal szemben. A cellulóz kémiai átalakítása ugyanis – mint a papírgyártás is – óriási vízigénnyel és jelentős vízszennyezéssel jár. Az bizonyos, hogy jobban tesszük, ha kutatásainkban és a jövő generáció oktatásában is felkészülünk a polimertechnika következő, kőolaj utáni szakaszára, mert ahogyan természetes polimerek nélkül elképzelhetetlen az élet, úgy mesterséges polimerek nélkül ma már elképzelhetetlen modern életünk minősége.
A fenti szöveg az október 3-án elhangzott előadás rövidített változata. Megtekinthető október 8-án 10.40-kor a Duna Tv, október 9-én 13.05-kor az M 1, valamint 24 órakor az M 2 műsorán. A következő előadást október 10-én 19.30-kor a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Kozma László termében (Budapest XI., Magyar tudósok körútja 2.) Barabási Albert László tartja Behálózva – A hálózatok csodálatos világa a sejtektől a világhálóig címmel. Az előadáson a részvétel ingyenes. Regisztráció: www.mindentudas.hu vagy 06-30-30-30-310.
origo.hu
Tényleg 50 fokos hőségre számíthatunk? – a szakértő válaszolt
