W przeciwieństwie do dowcipów, naukowe pomysły „z brodą” mają niekiedy szansę na drugie życie. Ten zrodził się jeszcze w poprzednim wieku, nawet nieco wcześniej niż u jego schyłku, można rzec – wtedy, gdy o węglu nie mówiono inaczej niż jak o „czarnym złocie”. Faktem jest, że swego czasu byliśmy trzecim producentem tego surowca na świecie, a przy jego wydobyciu pracowało nawet pół miliona osób. Dziś nie ma po tym śladu. Polska więcej węgla importuje niż sprzedaje, ten już wydobyty zalega na hałdach, a kopalnie, miast szczycić się – jak to drzewiej bywało – przewodnią rolą w gospodarce, ledwie wiążą koniec z końcem. Obserwując z roku na rok postępujący upadek górnictwa, profesor Zygmunt Wirpsza daleki jest jednak od załamywania rąk. Bynajmniej nie dlatego, że mu to obojętne. Wręcz przeciwnie – już na długo przed tym, nim zaczęła się era dekarbonizacji, w jego głowie zakiełkowała myśl, jak inaczej, czyli w bardziej efektywny sposób, wykorzystać owe zasoby węgla kamiennego. Czasy się zmieniły, pomysł nic a nic nie stracił na aktualności, a kto wie, czy właśnie teraz nie nadszedł czas, by go wreszcie zrealizować.

– Moglibyśmy nim podbić cały świat – stwierdza bez ogródek, po czym jednym tchem, by niczego nie pominąć, wylicza konstruowane w oparciu o ów zamysł nasze przyszłe eksportowe hity: lasery o dużej mocy, superkondensatory, baterie, procesory komputerowe, tranzystory, hybrydowe układy scalone, urządzenia elektronowe nowej generacji, biosensory i inne rewolucyjne rozwiązania medyczne… Palców u obu rąk nie starcza, by wymienić wszystkie możliwości, jakie w tej iście wizjonerskiej koncepcji jawią się na horyzoncie.

Całe życie z mocznikiem

Czego jak czego, ale pewności co do efektów zaproponowanego przez siebie rozwiązania odmówić mu nie sposób. Może to efekt doświadczenia, również życiowego, które pokorę i umiarkowanie potrafi bezceremonialnie żenić z nieprzesadną skromnością, czasem wręcz gaskonadą? Urodził się w Równem, gdy jeszcze należało ono do Polski, a przeszedłszy Syberię, edukował się we Wrocławiu, po czym większą część zawodowej kariery dzielił między Warszawę a Radom. A może to po prostu efekt niezwykłości wynalazku, na który nikt wcześniej nie wpadł, choć przecież wystarczyło karbid, czyli węglik wapnia, ten sam, którego właściwości wykorzystywane są przez pirotechników-amatorów choćby do tworzenia domowych petard, połączyć z chlorkiem cynku. Co do jednego nie ma za to wątpliwości: niczego nie udałoby się osiągnąć, gdyby nie… mocznik. Prof. Wirpsza zajmuje się nim nie od dziś i można to potraktować jako czysty eufemizm – poświęcił mu bowiem niemal całe zawodowe życie.

– Jest to pierwszy otrzymany syntetycznie związek organiczny. Otrzymuje się go z prostych i tanich związków nieorganicznych: amoniaku i dwutlenku węgla. Na świecie produkuje się obecnie ponad 150 milionów ton mocznika, z tego ponad 8 mln w samej Unii Europejskiej, a 1,2 mln – w Polsce. Jest przy tym stosunkowo tani i w zdecydowanej większości trafia do rolnictwa, gdzie wykorzystuje się go jako azotowy nawóz sztuczny. Ale stosowany jest również do wyrobu żywic i tworzyw sztucznych – prof. Wirpsza przybliża charakterystykę mocznika, którego otrzymywaniem, własnościami, pochodnymi i przetwórstwem zajmował się już od połowy ubiegłego wieku w Instytucie Tworzyw Sztucznych w Warszawie. Z biegiem lat badania rozszerzył na kleje i żywice mocznikowe oraz produkty otrzymywane z mocznika: melaminę, karbaminiany, izocyjaniany, poliuretany i ich pochodne. Zajmował się też wykorzystaniem go do syntezy polimerów i tworzyw sztucznych, co zresztą zaowocowało blisko setką patentów, z których dziesięć już wdrożono.

Karbidowy renesans?

Jeśliby więc na osi czasu szukać punktu, od którego wszystko się zaczęło, to trzeba by go umiejscowić właśnie wtedy, ładnych kilka dekad wstecz. Ale to był jedynie start, geneza tej historii, żaden punkt zwrotny czy przełom. O tym można mówić nieco później, gdy Zygmunt Wirpsza pracował już w Politechnice Radomskiej. Zainteresował się wtedy policyjanoamidem (PCA) – nawozem o największej znanej zawartości azotu (67%), nierozpuszczalnym w wodzie, a otrzymywanym przez katalityczne odwodnienie mocznika. Przez to, że zawiera on przeszło półtora razy więcej azotu, a jego powolny rozkład do rozpuszczalnych związków azotowych z szybkością około 16% rocznie umożliwia nawożenie nim gleby raz na 6 lat zamiast co 12 miesięcy, koszty jego użycia w rolnictwie, ogrodnictwie, sadownictwie czy przy rekultywacji nieużytków, hałd i wyrobisk oraz innych terenów niezagospodarowanych są znacznie mniejsze niż w przypadku mocznika.

– Próbowaliśmy otrzymywać policyjanoamid z mocznika, wykorzystując sam mocznik jako środek odwadniający, wobec chlorku cynku jako katalizatora, zaś karbidu jako środka usuwającego nieodwracalnie wodę. Stwierdziliśmy, że – o dziwo – mocznik nie bierze udziału w tej reakcji, a karbid rozpuszcza się w chlorku cynku i reaguje z nim na polimer. Było to dla nas na tyle zaskakujące, że postanowiliśmy przeprowadzić serię badań reakcji karbidu z chlorkiem cynku – wspomina prof. Wirpsza, dodając, że jego zespół eksperymentował z przeróżnymi substancjami – było ich z pewnością kilkadziesiąt – ale właśnie chlorek cynku okazał się najefektywniejszy. Ponieważ reaguje on z karbidem na granicy faz, dlatego żeby łatwiej było przeprowadzić całą reakcję, karbid należało rozdrobnić.

Wcześniej karbid (w reakcji z wodą) stosowano w zasadzie jedynie do wydzielania acetylenu oraz otrzymywania azotniaku. Przesądzały o tym dwa czynniki: wysoka temperatura topnienia karbidu (2570 K) oraz niemożność rozpuszczenia go w żadnym ze znanych rozpuszczalników. Odkąd w łatwiejszy i przede wszystkim tańszy sposób acetylen udaje się pozyskiwać z gazu ziemnego, karbid odszedł niejako w zapomnienie. Jeszcze do niedawna na masową skalę wytwarzano go choćby w fabryce w Oświęcimiu, jednej z największych produkujących surowce chemiczne. Finansowe względy zadecydowały, że przed tym bezbarwnym (o ile czysty) bądź szarym (jeśli techniczny) produktem o słabym połysku i charakterystycznym zapachu, nie widziano żadnej przyszłości. Cóż, z przekąsem zauważa mój rozmówca, znaczy to, że w Rosji, Indiach, Chinach, Australii czy na Ukrainie – które to państwa są potentatami w produkcji karbidu – myśli się bardziej perspektywicznie. On sam próbuje o tym przekonywać od momentu, kiedy zaobserwował niespodziewany efekt, jaki w reakcji z chlorkiem cynku dawał właśnie karbid. W wyniku dodania do stopionego chlorku cynku sproszkowanego karbidu wytworzono jednorodne roztwory o dużej lepkości, która malała wraz ze wzrostem temperatury.

– Wynalazek ten, zresztą opatentowany przez nas, umożliwił badanie reakcji karbidu i syntezę nienasyconych monomerów bezpośrednio z karbidu zamiast poprzez acetylen, który jest związkiem palnym i wybuchowym. Ponadto otrzymaliśmy monomery i polimery, w układzie jednorodnym, w reakcji karbidu ze związkami, które z acetylenem nie reagują, np. chlorowcopochodnymi – wyjaśnia prof. Wirpsza, dodając, że kluczowym w jego pomyśle zagadnieniem jest możliwość modyfikacji polimerów, jakie otrzymywane są w reakcji karbidu i chlorku cynku. Do tej pory nikt na to nie wpadł. Zmieniając właściwości polimeru, można za każdym razem otrzymać inny, równie wartościowy materiał do wszechstronnego zastosowania: od błon o wytrzymałości kilkaset razy większej niż stal szlachetna, przez dobre przewodniki ciepła i elektryczności, doskonałe izolatory, lasery o dużej mocy, procesory, aż po biosensory, wyświetlacze i nadprzewodniki wysokotemperaturowe. A i to pewnie nie zamyka drzwi do kolejnych użyteczności.

Inspirujący Nobel

W dotarciu do tego rozwiązania pomocna okazała się decyzja… Komitetu Noblowskiego. W dziedzinie fizyki postanowiono wówczas uhonorować dwóch uczonych z Uniwersytetu w Manchesterze: Andre Geima i Konstantina Novoselova za ich przełomowe badania nad grafenem. Gdy w grudniu 2010 roku w filharmonii sztokholmskiej odbierali zasłużone laury, prof. Wirpsza w oddalonym o przeszło 900 kilometrów Radomiu też nie posiadał się z radości. Nie odnosił wrażenia, że dzieli ich aż tyle, ba – wnikliwie analizując prace noblistów, doszedł do wniosku, że w gruncie rzeczy pod względem naukowym nadspodziewanie wiele go z nimi łączy.

– Dotarło do mnie, że wszystko, co uważaliśmy dotychczas tylko za tzw. związki metaloorganiczne, to w gruncie rzeczy pochodne grafanów. A skoro tak, to postanowiliśmy iść w tym kierunku i dalej uwalniać energię z karbidu – tłumaczy.

W roztworach, otrzymywanych w wyniku reakcji karbidu z chlorkiem cynku, ten pierwszy związek ulega przekształceniu w polimery węglowe dwojakiego rodzaju: liniowe, o właściwościach półprzewodnikowych, oraz płaskie – grafany, do złudzenia przypominające budową plaster miodu. Wszystkie one zawierają reaktywne podstawniki typu Grignarda przy każdym atomie polimerowego węgla. Polimery liniowe można przekształcić w ciekłe benzyny o dużej liczbie oktanowej lub oleje napędowe o dużej liczbie cetanowej, zastępując tym samym pochodne ropy naftowej. Z kolei grafany są doskonałymi izolatorami o wielu potencjalnych zastosowaniach, a przede wszystkim – po ogrzaniu ich do 670 K – przekształcają się w grafeny, służąc wówczas za bezpieczny, chemiczny zbiornik wodoru jako czystego źródła napędu. Tych podstawników, które zmieniałyby charakterystykę polimeru, może być wiele – w zależności od tego, co planuje się uzyskać.

– Obecność trwałych podstawników daje okazję do regulowania nimi i nadawania otrzymywanym produktom pożądanych właściwości – nie kryje satysfakcji prof. Wirpsza.

Niektóre pochodne grafanu już otrzymano, ale ich własności pozostają jeszcze niezbadane. Podobnie jak to, które konkretnie modyfikatory należy wprowadzać w celu uzyskania pożądanych efektów. Bez eksperymentalnego potwierdzenia wszelkich hipotez się nie obędzie. Tymczasem nad badaniami zawisł miecz Damoklesa. Na skutek zawirowań personalnych konieczne stało się zaniechanie wszelkich prac, dotychczasowe wyniki odłożono na półkę, wygląda na to, że wkrótce pokryje je gruba warstwa kurzu. Do zakończenia projektu brakuje – w ocenie mojego rozmówcy – nie więcej niż kilku, co najwyżej 10 milionów złotych. Dotychczasowe rezultaty nie pozostawiają wątpliwości: przeróbka chemiczna węgla kamiennego na reaktywne, a więc stosunkowo łatwo wchodzące w interakcję z innymi związkami polimery, wydaje się najbardziej efektywnym sposobem wykorzystania węgla. W jej wyniku możliwe jest osiągnięcie największego przyrostu wartości dodanej, czyli krótko mówiąc: zużycie mniejszej ilości węgla da większy efekt ekonomiczny. Wydaje się, że gra jest warta świeczki. Z węgla kamiennego, poprzez kolejno koks, karbid, polieny, grafany i grafeny oraz ich pochodne, można otrzymywać produkty, które byłyby po wielokroć cenniejsze niż surowiec wyjściowy, a mogłyby być wykorzystywane w wielu przyszłościowych dziedzinach nauki i techniki: mechanice, elektronice, energetyce, biochemii…

– Tanie wyroby z polimerów karbidu o specjalnych właściwościach mogłyby z powodzeniem stać się naszym towarem eksportowym. Z importowanej ropy naftowej można by się przerzucić na krajowy węgiel kamienny, który jest tani i jest go pod dostatkiem. Wystarczy go uszlachetnić, np. przez przeróbkę chemiczną, i… można podbijać świat – kończy, mimo wszystko z optymizmem patrząc w przyszłość, prof. Zygmunt Wirpsza. 