Když se voda dostane hluboko do železem bohatých hornin, může spustit chemické reakce, při nichž vzniká molekulární vodík. Nový experiment australských vědců nyní ukázal detail, který může rozhodovat o tom, zda podzemní „továrna“ vyrobí vodíku málo, nebo několikanásobně více: nestačí mít správný minerál. Voda se musí dostat k jeho čerstvému povrchu. Rozdrcený magnetit vytvořil za stejných podmínek přibližně pětkrát více vodíku než celistvý kus horniny.
Pokud se podaří podobné procesy využít v reálných geologických formacích, budoucí zdroj vodíku možná nebude připomínat klasické naleziště zemního plynu. Mohl by vypadat spíše jako místo, kde hornina a voda vodík dlouhodobě vytvářejí přímo pod našima nohama.
Vodík nemusí vznikat v továrně. Země ho vyrábí sama
O takzvaném přírodním či geologickém vodíku se ještě před několika desetiletími mluvilo jen okrajově. Vodík je malá a velmi reaktivní molekula, snadno uniká horninami a také se účastní chemických a biologických reakcí. Dlouho proto převládala představa, že významnější množství H₂ nemůže v zemské kůře přetrvávat.
Nálezy z několika částí světa však tento názor změnily a po přírodním vodíku se dnes aktivně pátrá v Austrálii, Spojených státech, Francii, Kanadě, Španělsku, Finsku a dalších zemích. Americká geologická služba už dokonce vytvořila mapy oblastí, jejichž geologie může být pro vznik a akumulaci vodíku příznivá.
Pod zemí může vodík vznikat několika způsoby. Jedním je radiolýza, při níž přirozené radioaktivní záření štěpí molekuly vody. Druhý významný mechanismus je mnohem intuitivnější: voda reaguje s minerály obsahujícími železo. Železo se oxiduje a část vodíku původně vázaného ve vodě se uvolní jako molekulární H₂.
Jde tedy o chemickou energii ukrytou v hornině.
Magnetit vezme vodě kyslík a vodík zůstane volný
Australský tým se zaměřil na magnetit, minerál s chemickým vzorcem Fe₃O₄, který obsahuje železo ve dvou oxidačních stavech. Právě železo Fe²⁺ může při vhodných podmínkách přejít na Fe³⁺. Během této oxidace se elektrony přenášejí na vodu a výsledkem může být vznik molekulárního vodíku.
Zjednodušeně řečeno: část železa v hornině se oxiduje, kyslík z vody skončí navázaný v minerální fázi a vodík se uvolní jako plyn.
V experimentu se magnetit částečně měnil na hematit, Fe₂O₃, což odpovídá přechodu železa z Fe²⁺ na Fe³⁺. Vědci tak mohli sledovat nejen samotný vznik vodíku, ale i fyzickou a chemickou proměnu minerálu, která jej doprovázela.
Samotná schopnost magnetitu produkovat při kontaktu s vodou vodík ale nebyla hlavním překvapením. Výzkumníky zajímalo něco, co se v laboratorních pokusech snadno přehlédne: záleží na tom, v jakém tvaru hornina skutečně je.
Stejná hornina, pětinásobný rozdíl
Předchozí experimenty s přírodním vodíkem často používají jemně rozdrcené minerály. Má to praktický důvod. Prášek nabízí vodě obrovskou reakční plochu, proces probíhá rychleji a výsledky se snadněji měří.
Jenže kilometr pod zemí neleží úhledné nádoby plné magnetitového prášku.
Vědci proto vzali stejný přírodní magnetit ve dvou podobách. Jednou jako jemný prášek, podruhé jako pevnou destičku, která mnohem lépe připomíná celistvou horninu v geologickém prostředí. Oba vzorky nechali 60 dní reagovat s vodným roztokem při teplotě 200 °C, tlaku přibližně 103 barů a pH 9.
Práškový magnetit vytvořil přibližně 0,052 milimolu vodíku na gram horniny.
To bylo asi pětkrát více než u celistvého vzorku.
Chemie byla stejná. Množství magnetitu bylo srovnatelné. Rozhodoval přístup vody.
Čím větší povrch minerálu je odkrytý, tím více míst má voda k dispozici pro reakci. V kompaktní hornině se naopak dostane jen k vnějšímu povrchu a do puklin či pórů, které jsou vzájemně propojené.
A právě zde se experiment dostává z chemické laboratoře do skutečné geologie.
Puklina může být důležitější než množství magnetitu
Představme si dva obrovské masivy obsahující stejné množství železem bohatého minerálu.
První je téměř kompaktní. Voda jím proniká obtížně a s většinou magnetitu se vůbec nesetká.
Druhý protínají tisíce puklin. Horká podzemní voda může proudit hluboko do horniny a neustále přicházet do kontaktu s novým minerálním povrchem.
Chemicky mohou být oba masivy téměř stejné, ale jejich schopnost produkovat vodík bude velmi rozdílná.
Podle Stefana Iglauera z Edith Cowan University proto nestačí při průzkumu hledat oblasti bohaté na magnetit. Důležité je také zjistit, zda hornina obsahuje pukliny, póry a propustné cesty, kterými může voda pronikat k čerstvému povrchu minerálů.
To mění představu o tom, jak by se potenciální naleziště přírodního vodíku měla hledat. Klíčem není jen chemické složení horniny, ale také její geometrie.
Jenže podzemní továrna se dokáže sama ucpat
Experiment zároveň ukázal další problém.
Jak magnetit reagoval s vodou, na jeho povrchu vznikal hematit. Taková nová minerální vrstva může postupně oddělit původní magnetit od vody a další reakci zpomalit.
V chemii se tomu říká pasivace.
Na začátku může být čerstvý minerální povrch mimořádně reaktivní, postupně se však pokryje produktem vlastní reakce. Voda se přes tuto vrstvu k původnímu minerálu dostává stále obtížněji a výroba vodíku klesá. Právě pasivační hematitové povlaky byly jedním z důvodů nižší produkce u celistvého vzorku.
Pukliny proto mohou hrát dvojí roli. Nejenže přivádějí vodu na nová místa, ale mohou průběžně odhalovat čerstvý minerální povrch, který ještě není pasivovaný.
Z geologického hlediska tak může být ideální „vodíková továrna“ dynamickým systémem, v němž tekutiny neustále cirkulují, hornina praská a chemické reakce otevírají či uzavírají nové cesty.
Mohli bychom výrobu vodíku pod zemí sami nastartovat?
Právě zde se začíná rodit mnohem odvážnější myšlenka.
Jednou možností je hledat místa, kde už geologický vodík vznikl, migroval do vhodného rezervoáru a nahromadil se pod nepropustnou vrstvou. To připomíná klasický průzkum zemního plynu: najít existující zásobu a vytěžit ji.
Druhá možnost je úplně jiná.
Pokud víme, které horniny vodík vyrábějí a jaké podmínky proces urychlují, mohlo by být teoreticky možné výrobu H₂ v podzemí cíleně stimulovat. Vědci z Edith Cowan University zmiňují například vstřikování vhodného roztoku do železem bohatých hornin tak, aby se kapalina dostala k většímu množství reaktivního povrchu.
Namísto hledání hotové kapsy vodíku bychom tedy hledali geologický reaktor.
Člověk by dopravil vodu nebo vhodný roztok do horniny, nechal geochemii odvést práci a následně by vznikající H₂ zachycoval.
Taková technologie je zatím daleko od komerčního provozu. Nová studie testovala kilogramy a gramy horniny v kontrolovaných laboratorních podmínkách, nikoli kilometr krychlový geologického masivu. Přesto ukazuje, které fyzikální vlastnosti horniny by při případné stimulaci rozhodovaly.
Proč je kolem přírodního vodíku takový rozruch
Vodík není pouze budoucí palivo pro automobily, jak byl někdy prezentován. Už dnes jde o zásadní průmyslovou surovinu.
Používá se při výrobě amoniaku a hnojiv, v rafineriích a může hrát významnou roli při výrobě železa a oceli bez použití uhlí. Problém spočívá v tom, že většina dnešního vodíku vzniká z fosilních paliv a jeho výroba je spojena s emisemi oxidu uhličitého.
Alternativou je takzvaný zelený vodík vyráběný elektrolýzou vody pomocí elektřiny z nízkoemisních zdrojů. K jeho výrobě je ale potřeba velké množství energie a elektrolyzéry.
Přírodní vodík nabízí hypoteticky třetí cestu: nevyrábět molekulu H₂ na povrchu vůbec, protože ji už vytvořila geologie.
Pokud by se podařilo nalézt velké a přístupné akumulace nebo ekonomicky stimulovat jeho vznik, mohl by mít přírodní vodík výrazně nižší energetické nároky než průmyslová výroba. Právě proto se z téměř okrajového geologického tématu během několika let stal předmět intenzivního průzkumu.
Země možná obsahuje obrovské množství vodíku. To ale neznamená, že ho umíme vytěžit
Odhady globálního množství geologického vodíku vypadají na první pohled ohromně. Modelování USGS naznačilo možnost existence milionů megatun H₂ v zemské kůře. I malá využitelná část podobného množství by byla energeticky významná.
Jenže mezi větou „vodík se někde v zemské kůře nachází“ a „máme nové energetické ložisko“ leží obrovský rozdíl.
Velká část vodíku může být příliš hluboko, rozptýlená v malých koncentracích, může rychle unikat nebo ji mohou spotřebovávat mikroorganismy a další chemické reakce. Aby vzniklo využitelné naleziště, nestačí zdroj vodíku. Potřebujeme také vhodnou horninu, kterou může plyn migrovat, rezervoár, v němž se nahromadí, a nepropustnou bariéru, která mu zabrání uniknout.
A existuje ještě jedna důležitá brzda nadšení. Přestože se vodík při reakcích horniny s vodou může průběžně vytvářet, neznamená to automaticky, že jde o obnovitelný zdroj v lidském časovém měřítku.
Velký přehled publikovaný v Nature Reviews Earth & Environment upozorňuje, že podobné reakce mohou probíhat tisíce až miliony let. Kontinentální zdroje přírodního vodíku proto podle autorů nelze jednoduše označovat za obnovitelné v horizontu desetiletí nebo století.
Podzemní továrna může pracovat. Jen nemusí pracovat dost rychle na to, abychom ji po vytěžení dokázali nechat během několika let znovu naplnit.
Nejzajímavější možná není naleziště, ale samotná hornina
Nový experiment proto není důkazem, že australská Pilbara sedí na gigantickém snadno vytěžitelném zásobníku vodíku.
Ukazuje něco základnějšího.
Když má magnetit správné podmínky, může reagovat s vodou a vodík skutečně vytvářet. Množství vznikajícího plynu přitom zásadně závisí na tom, kolik čerstvého povrchu dokáže voda zasáhnout. Rozdíl mezi kompaktní horninou a jemnými částicemi byl v laboratorním experimentu pětinásobný.
To znamená, že při hledání budoucích zdrojů nemusíme pátrat pouze po místech, kde se vodík už nahromadil.
Možná budeme hledat místa, kde se může vyrábět.
Pod našima nohama pak nemusí ležet obdoba plynové lahve, která se jednou vyprázdní. Může tam existovat rozsáhlý chemický systém, v němž voda proniká puklinami, železo mění svou oxidační formu a z horniny se postupně uvolňuje plyn, který dnes složitě vyrábíme v průmyslových závodech.
Otázkou už není, zda Země umí vodík vyrábět.
To umí.
Otázkou je, zda dokážeme najít místa, kde ho vyrábí dost, dostatečně rychle a způsobem, který půjde bezpečně a ekonomicky využít.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Zdroje: Kód Enigma [1], International Journal of Hydrogen Energy – Geometry-driven controls on hydrothermal natural hydrogen generation from magnetite mineral [2], Edith Cowan University – Green hydrogen goldmine: ECU researchers discover hidden energy source [3], Nature Reviews Earth & Environment – Natural hydrogen resource accumulation in the continental crust [4], U.S. Geological Survey – Geologic Hydrogen [5]
