Zelenější polyuretany pro vesmír – a nejen pro něj
Už jste někdy slyšeli o polyuretanech? Nepochybně jste jimi obklopeni, či na nich dokonce právě sedíte. Tato všestranná třída chemických látek má totiž velmi široké využití: od polstrování pohovky a izolace oken přes balení potravin až po podkladní vrstvu koberce, pouzdra na elektronické přístroje a kolečka skateboardů. Zásadní význam má také ve vesmíru, což dalo vzniknout novému projektu, který je součástí iniciativy ESA s názvem Clean Space (Čistý vesmír) a který usiluje o ekologicky přívětivější výrobu polyuretanů.
Odvětví kosmického výzkumu je využívá pro povrchovou úpravu a zabezpečení (tzv. zalévání) elektronických součástí tak, aby ve vakuu nemohly uvolňovat škodlivé páry a aby při vypouštění kosmických zařízení nedošlo k jejich poškození. Každá nosná raketa v sobě navíc má několik kilogramů polyuretanů ve formě pěny používané k izolování kryogenních nádrží pohonných látek.
„Polyuretany samy o sobě životnímu prostředí neškodí,“ vysvětluje Małgorzata Hołyńska, materiálová inženýrka ESA, která má projekt na starosti.
„Při stávajícím výrobním procesu se však uplatňují jedovaté izokyanáty a v počátečních fázích syntéze také fosgen, který se během 1. světové války využíval jako chemická zbraň. V rámci iniciativy ESA Clean Space, která se snaží vést vesmírný průmysl k větší udržitelnosti jak na Zemi, tak v kosmu, jsme se rozhodli vyzkoušet alternativní výrobní procesy, které jsou založeny na obnovitelných zdrojích jako rostlinný olej.“
Odbor materiálové fyziky a chemie ESA spolupracoval se specializovanou chemickou společností TOSEDA z České republiky a se Státním ústavem pro chemii dřeva z Lotyšska, které je přidruženou členskou zemí ESA. Německá ArianeGroup, která vyrábí rakety Ariane 6, pak definovala požadavky na termoizolační pěnu vhodnou pro tyto účely.
„S chemickými procesy kolem polyuretanů máme spoustu zkušeností,“ vysvětluje Tomáš Vlček ze společnosti TOSEDA. „S využitím ricinového oleje a derivátů rostlinného oleje, jako je glycerín, docílíme v ekologicky přívětivějším chemickém procesu prakticky téže chemické struktury, ale pořád se potýkáme se spoustou variací. Chceme tedy zajistit srovnatelné či lepší vlastnosti, než které vykazují tradiční polyuretanové produkty.“
„Nejsložitějším výstupem je izolační pěna, protože potahování či zalévání polyuretanů je svou podstatou dvourozměrný proces, kdežto pěna samotná je trojrozměrná. Tady přichází na scénu náš partner, litevský Státní ústav pro chemii dřeva, který rozšiřuje výrobu a provádí speciální testy s využitím rozsáhlého know-how z výroby izolační pěny pro rakety hluboko v sovětské éře.“
Tento ústav strávil více než deset let vývojem polyuretanové termoizolační pěny pro gigantickou sovětskou nosnou raketu Eněrgia s kryogenními pohonnými látkami, která byla navržena pro vynášení raketoplánu Buran na oběžnou dráhu. Raketa o výšce 58 metrů byla vypuštěna dvakrát, v letech 1987 a 1988, přičemž v druhém uvedeném roce vynesla raketoplán Buran.
„Leckoho asi zarazí, že laboratoř zabývající se chemií dřeva má takové zkušenosti, ale my s polyuretany opravdu pracujeme už přes půl století,“ říká ředitel institutu Uģis Cābulis.
„Znalosti o chemických vlastnostech obnovitelných polyuretanů se u nás snoubí s recepturami na pěnu pro kryogenní aplikace – nejen na úrovni laboratoře, ale až po pilotní výrobu. Zahrnuje to trysky pro nanášení pěny a celou škálu testovacího zařízení. Máme rovněž přímé zkušenosti se speciálními potřebami kosmického průmyslu, protože v posledních letech spolupracujeme s ArianeGroup.“
Polyuretanové materiály bez použití izokyanátů, které byly dosud syntetizovány a otestovány, přispívají k udržitelnosti, protože při jejich výrobě se z 50 % používají obnovitelné zdroje, neobsahují organická rozpouštědla a v případě pěny se obejdou bez chlor-fluorovaných uhlovodíků narušujících ozónovou vrstvu, které se tradičně využívaly při tvorbě pěny.
Testování ukazuje, že výsledek vyhovuje většině požadavků vesmírného průmyslu. Termoizolační pěně se ještě bude věnovat následný program pro obecné podpůrné technologie. Thomas Rohr z odboru materiálů a procesů ESA fungoval jako poradce, co se týče souladu s nařízením Evropské unie o registraci, hodnocení, povolování a omezování chemických látek (REACH).
„V souvislosti s touto aktivitou nás kontaktovala řada dalších společností, které mají zájem o zelenější obalové materiály, takže tento projekt má daleko širší potenciál,“ uvádí Małgorzata Hołyńska.
Riccardo Rampini, který stojí v čele odboru materiálové fyziky a chemie ESA, dodává: „Věříme, že v budoucnosti budeme moci provést rozsáhlejší ekologické testy.“
Projekt se opírá o podporu Prvku pro technologický rozvoj ESA, který zkoumá slibné nápady související s vesmírem.