Kivisöe kasutuselevõtt energiaallikana

1. I. ENERGEETIKA JA TRANSPORT I.1. Energiaallikad Kivisöe kasutuselevõtt energiaallikana Kivisüsi asendas puidu kui peamise energiaallika Ameerika Ühendriikides 1890ndateks aastateks. Esimene söe baasil töötav aurugeneraatoriga elektrijaam rajati 1882. aastal. 1884. aastal arendas Charles Parsons välja efektiivsema kõrgemal kiirusel töötava auruturbiini.1920ndateks aastateks kasutati juba pulbriks muudetud kivisütt, mis vajas süttimiseks vähem õhku ning tõstis seega põlemisprotsessi efektiivsust. 1940ndatel aastatel kasutusele võetud tsüklonahi võimaldas edukalt ja väiksema koguse tuhajääkidega põletada ka madalama kvaliteediga sütt. Charles Parsons Parsonsi auruturbiin (1907) Nafta puurimine ja töötlemine Kõige esimene naftaväli avastati 1901. aastal Texases Spindletopis. Autode ulatuslik kasutuselevõtt muutis nafta 1951. aastaks olulisimaks kütuseallikaks, ületades tähtsuselt ka kivisütt. Tehnoloogia toornafta töötlemiseks erinevateks komponentideks on pidevalt täiustunud, alates lihtsast atmosfäärilisel rõhul ja hiljem vaakumis destilleerimisest kuni termilise ja katalüütilise krakkimiseni. Nafta puurimisel võib keemiateaduse panust täheldada teemantpuuride ja puurimislobri väljatöötamisel ning toornafta eraldamisel pinnasest, milleks kasutatakse kemikaalide ja auru kombinatsiooni. Toornafta ammutamisel pumbatakse maa-alusesse maardlasse surve all olevat gaasi, milleks on enamasti süsinikdioksiid, või vesilahuseid. Tuumaenergia Esimene tuumareaktor loodi 1942. aastal sõjaväeliseks otstarbeks. Tuumaenergia rakendamine rahumeelsel eesmärgil, peamiselt elektrienergia tootmiseks, algas 1951. aastal president Eisenhoweri programmiga “Aatomid rahu eesmärgil” - “Atoms for Peace”. Keemia on sellest saati mänginud kaalukat rolli reaktorites kütusena kasutatavate radioaktiivsete materjalide tootmises ning reaktori juhtvarraste valmistamises, mis reguleerivad neutronite voogu radioaktiivsel lagunemisel. Lisaks veel kasutatud kütusevarraste töötlemises, jäätmekäitluses, keskkonnakaitses ning radioaktiivse kiirgusega seotud riskide maandamises. Alternatiivsed energiaallikad Rohelise energia liigid nagu tuule-, hüdro- ja geotermaalenergia moodustavad maailma elektritoodangust küll vähem kui ühe protsendi, kuid nende roll on majandusliku surve ja kättesaadavuse tõttu aina olulisemaks muutumas. Läbi keemia edusammude on loodud päikesepaneele nii soojus- kui valgusenergia akumuleerimiseks, kergekaalulisi süsinikkiust tiivikuid tuuleenergia salvestamiseks, betoon- ja metallturbiine hüdroelektrijaamadele ning korrosioonivabasid materjale geotermaalenergia kogumiseks.

2. I. ENERGEETIKA JA TRANSPORT I.2. Elektrienergia talletamine ja teisaldamine Ühekordsed patareid Elektrienergia salvestamise töötas 18. sajandi lõpuaastatel välja Alessandro Volta ning sellest ajast saati on tegeletud antud tehnoloogia täiustamisega. Tänapäevani kasutusel olev kuivelemendiga süsinik-tsink patarei loodi 1890. aastal taskulampides kasutamiseks alternatiivina varasemale Leclanché’ märgelemendiga mudelile. 1949. aastal võeti patareides kasutusele uus leelispasta, mis andis neile pikema eluea ning võimaldas nende mõõtmeid vähendada. Leelispatarei kogus kiiresti populaarsust ning leidis laialdast kasutamist erinevates kaasaskantavates elektroonikaseadmetes. Pärast seda on välja töötatud ka hõbeoksiidil, elavhõbedaoksiidil ning liitiumil põhinevaid patareisid. Kuivelemendiga süsinik-tsink patarei Taaslaetavad akud 1859. Aastal loodud taaslaetav tina-happe aku oli üks esimesi laiemale turule toodetud näiteid kontrollitud keemilise reaktsiooni kasutamisest elektrienergia vabastamiseks. Pidevalt täiustudes on tina-happe akud tänaseni valdavalt kasutatavad erinevates liiklusvahendites. Kuigi 1899. aastal toodi turule uudne nikkel-kaadmiumaku, oli paraku tegemist liialt kalli lahendusega, et turul edukalt konkureerida. Kaasaegsed lahendused on valdavalt keskendunud liitiumile. Liitium-ioonakud on tänapäeval laialdaselt kasutusel näiteks mobiiltelefonides ja sülearvutites. Taaslaetavad akud

3. I. ENERGEETIKA JA TRANSPORT I.3. Tee- ja sillaehitusmaterjalid Betoon Ameerika Ühendriikides 1950ndatel aastatel teostatud massiivsed osariikidevahelised ehitusprojektid toetusid suuresti betoonteede ja –sildade tugevusele ning pikaealisusele. Esmakordselt 1824. aastal toodetud ning 1877. aastal prantslase Joseph Monier’i poolt tugevdatud betoonina patenteeritud Portlandi betooni puhul on tegemist keerukate keemiliste reaktsioonide tulemusena aeglaselt settiva seguga, milles betooniosiste vahelisi tühimikke täidab tsemendipasta. Selle vastupidavus ja tugevus sõltuvad suuresti hoolikalt kontrollitud tsemendi tootmisprotsessist. Erinevate kemikaalide lisamine betoonisegule vähendab plastset kahanemist ning parandab vastupidavust korrosioonile. Asfalt Asfalti populaarsus teedeehitusmaterjalina tuleneb selle hinna ja kvaliteedi suhtest. Looduslik asfalt avastati 1595. aastal, kuid seda hakati söetõrvaga segama ning teekattena kasutama alles 1902. aastal. Bituumen – nafta rafineerimisprotsesside tahke või pooltahke jääk – asendas aga üpris kiiresti teedeehitusmaterjalina kasutatava loodusliku asfalti. Viimasel ajal on sellele omaduste parandamiseks lisatud ka sünteetilisi polümeere. Metallid ja sulamid Terasest on saanud sildade peamine tugistruktuuride materjal tänu selle suhteliselt kergele kaalule, tugevusele, kestvusele, käitlemislihtsusele, madalatele ehituskuludele ja vastupidavusele looduslike katastroofide, näiteks maavärinate suhtes. Eriti heatasemelised terased tulid turule 1990ndatel aastatel, olles äärmiselt tugevad ning resistentsed korrosioonile. Sillakonstruktsioonides kasutatava terase kaitsmiseks kasutatakse selle katmist alumiiniumi või tsingiga, andes sellele nii 30 aastat kestva kaitsekihi. Hooldus- ja remonditehnoloogia Teede infrastruktuuri tuleb hoida korras igas ilmastikus ning üpriski pikas perspektiivis. Uuendused ehitus- ja hooldusmaterjalides on võimaldanud teede hooldusvälpa märkimisväärselt pikendada. Betooni, asfalti ja terase tihendusainetel on teede eluea pikendamisel äärmiselt oluline roll. Erinevad kemikaalid ja polümeerid toimivad asfaltteedes sidusainetena, parandades nii teede omadusi.

4. I. ENERGEETIKA JA TRANSPORT I.4. Naftal baseeruvad kütused Toornaftast bensiini eraldamine Toornaftast kütusetootmise efektiivistamiseks kasutati alates 1913. aastast kuumutamise abil naftas olevate pikkade süsivesinikuahelate lammutamist lühemateks bensiinis leiduvates ahelateks. Antud protsessi nimetati termaalseks krakkimiseks. Kuna kuumutamine tingis aga ka soovimatute kõrvalproduktide moodustumise, hakati alates 1928. aastast kasutama madalamatel temperatuuridel vaakumis destilleerimist. 1936. aastal töötas Eugene Houdry välja katalüütilise krakkimise, kus kõrgete temperatuuride asemel kasutati inertsed katalüüte, näiteks alumiiniumoksiidi, ränidioksiidi ja tseoliite. Antud protseduur võeti laialdaselt kasutusele juba aasta hiljem ning seda loetakse tõeliseks revolutsiooniks kütusetööstuses. Naftatöötlemis- tehas Kütuselisandid Varasematest automootoritest võis madala kvaliteediga kütuse kasutamise korral sageli kuulda kolksumist. 1921. aastal hakati kütuselisandina kasutama tetraetüülpliid, et muuta mootorite tööd sujuvamaks ning vaiksemaks. 1926. aastaks tuli bensiini kvaliteedinäitajana kasutusele kütuse oktaanarv ehk survetaluvus. Tinalisandite kasutamine seati kahtluse alla 1970ndatel aastatel, mil suurenes mure nende kahjulikkuse pärast keskkonnale. Tänapäeval lisatakse bensiinile oktaanarvu tõstmiseks alkohole ning eetreid. Ka bensiini põlemisomaduste parandamiseks ning mootori kulumise vähendamiseks on kasutusel spetsiaalsed lisandid. Teatud piirkondades on vajalikud ka hooajalised lisandid, näiteks metanooli lisamine talvisele kütusele, et vältida kütusevoolikute külmumist. Katalüsaatorid Kaheastmelised katalüüsmuundurid tulid kasutusele 1975. aastal eesmärgiga vähendada süsinikmonooksiidi ning süsivesinike emissiooni. Peagi lisandus katalüüsmuunduritele ka kolmas aste, mille läbi vähendati lämmastikoksiidide hulka heitgaasis. Katalüüsmuundurite töö põhineb metallil, enamasti plaatinal toimuval keemiliste reaktsioonide jadal. Lämmastikoksiidid muundatakse lämmastikuks ja hapnikuks, süsinikmonooksiid süsinikdioksiidiks ning põlemata süsivesinikud veeks ja süsinikdioksiidiks. Kolmeastmeline katalüsaator

5. I. ENERGY AND TRANSPORTATION I.5. Sõidukid Kõrgetasemelised materjalid disainilahendusteks, mugavuseks ja ohutuseks 21. sajandi auto erineb suuresti oma eelkäijatest nii välimuselt, mugavuselt kui ka reisijate turvalisuselt. Kõrge intensiivsusega esilaternad võimaldavad pimeda ajal maksimaalset valgustatust. Roostetamise vähendamiseks kasutatakse mitmeid erinevaid kere- ja kattematerjale. Keemilised jahutussegud ringlevad suletud süsteemis. Autoehituses kasutatav turvaklaas võeti esmakordselt kasutusele 1914. aastal. Tänapäeval vähendavad spetsiifilised polümeerid klaasi massi, salongi kostvat müra ja paistvat erksat valgust ning ultraviolettkiirgust.Uuendused turvalisuses hõlmavad näiteks 1960ndatel kohustuslikuks saanud polümeerkiust turvavöid ning 1996. aastast kohustuslikuks muutunud turvapatju. Plastikkomponendid Autode kaalu vähendamine tänu metallkomponentide asendamisele plastikdetailidega ning uudsete kõrgetasemeliste materjalide väljatöötamine on saanud võimalikuks läbi saavutuste keemiateaduses.Pärast Teist Maailmasõda hakkasid autotootjad jäikade tugikomponentide tootmisel kasutama tugevaid ja ilmastikukindlaid sünteetilisi naftal baseeruvaid polümeere. 1970ndate aastate energiakriisi tulemusena võeti kütusekulu vähendamise eesmärgil suund metalldetailide asendamisele kergemakaaluliste alternatiividega. Keeruka kujuga keredetaile toodetakse tänapäeval termoplastiliste materjale vormidesse surumise teel. Kasutatavad polüpropüleenkiud on nii värvikindlad kui ka UV-kiirgusele vastupidavad. Polüpropüleenkiud Rehvitehnoloogia Looduslikust kummist tooted ilmusid turule juba 19. sajandi alguses, kuid osutusid siiski üpris ebapraktiliseks, kuna kaldusid temperatuurimuutuste korral pehmeks või siis hapraks muutuma. Ameerika leiutaja Charles Goodyear töötas 189. aastaks välja loodusliku kummi vulkaniseerimisprotsessi, mille käigus seoti küllastumata sidemed väävliga. See protsess on väikeste keemiliste täiendustega siiani kasutusel. 1945. aastaks toodeti turule sünteetilist kummi. Rehvinõudluse kasvades lisandus rida täiendusi: sisemine õhukumm rehvide jäikuse vähendamiseks, naturaalne või sünteetiline kangas tugevduseks ning lisandid kulumise vähendamiseks. Lõpuks täiustus ka tehnoloogia õhukummita rehvide tootmiseks.

6. I. ENERGEETIKA JA TRANSPORT I.6. Aeronautika Kuumaõhupallid Alates 1783. aastast, mil inimene esmakordselt lahtise leegiga köetava kuumaõhupalliga lendas, on antud tehnoloogiat revolutsiooniliselt täiendatud. Kuum õhk asendati kiiresti kergemini kontrollitava vesinikuga. Kuumaõhupallidega lendamine on muutunud üpris populaarseks spordialaks: ainuüksi Ameerika Ühendriikides on rohkem kui 5000 kuumaõhupallipilooti. Taas võib täheldada keemia panust vastupidava, kuumakindla ja ühtlasi ka odava nailonkanga ning õhkutõusmiseks kasutatava vedeldatud propaani väljatöötamise juures. Heelium Kuigi vesinikuga täidetud õhupallid (nagu kurikuulus Hindenburg) olid jäiga struktuuriga, kujutasid nad endast siiski vesiniku kergestisüttivuse tõttu alati ohtu. 1905. aastal avastasid kaks keemikut ühes Kansase gaasikaevus aga loodusliku heeliumi, mille varud osutusid külluslikeks. Esimese Maailmasõja ajal eraldati, ladustati ja transporditi suures koguses heeliumit, nii et Teise Maailmasõja vältel kasutati juba arvukalt heeliumiga täidetud õhupalle, et vägesid ja varustust kandvaid laevu allveelaevade läheduses eskortida. 1950ndatel kasutati heeliumit süstikute ehitamisel keevitamiskeskkonnana ning raketikütust suunava puhvrina. Hindenburgi katastroof (1937) Raketikütused Alates esimestest kosmosesse saadetud testsüstikutest 1920ndatel ja sidesatelliitidest 1950ndatel aastatel kuni 1980ndatel kastusele võetud korduvkasutatava süstikuni on inimese teekond kosmosesse olnud hämmastav tehnoloogia võidukäik. Kosmosereiside edu sõltub esmalt süstikute võimest end Maa gravitatsiooniväljast lahti rebida. Esimeses süstikus, mis 1926. aastal kosmosesse saadeti, kasutati vedelkütusena bensiini ning oksüdeerijana vedelat hapnikku. Pärast seda on kasutatud mitmeid erinevaid kütuseid ning oksüdeerijaid nii tahkel kui vedelal kujul. Tänapäeval on süstikutes kütuseks vedeldatud vesinik, stardil kasutatakse aga ka tahket alumiiniumi ja ammooniumperkloraati oksüdeerijana. Õhusõidukite ja süstikute koostematerjalid Aeronautika arenedes on suuresti muutunud ka õhusõidukite ehitusmaterjalid. Puit ja kangas on asendunud metallisulamitega: alumiiniumit ja titaani sisaldavad sulamid pakuvad ühtlasi nii tugevust, kerget kaalu, stabiilsust erinevatel temperatuuridel kui ka korrosioonikindlust. Kuna kosmosesüstikutel tuleb taluda eriti ekstreemseid tingimusi, siis on nõudmised kõrged ka nende ehitamiseks kasutatavatele materjalidele. Näiteks kaitstakse süstiku strateegilisi osi kõrgete temperatuuride eest atmosfääri sisenemisel ränil (varem tsirkooniumil) põhineva kattematerjaliga.