Być może nie każdy o nim słyszał, ale na pewno każdy się z nim zetknął. Bo nadtlenek wodoru H2O2 w niskim stężeniu, a więc roztworze 3-procentowym, jest popularną wodą utlenioną, której używa się do dezynfekcji skaleczeń. Z kolei roztwór 30-procentowy jest znanym wybielaczem (o handlowej nazwie perhydrol). Jeszcze w latach 90. młodzież używała go do rozjaśniania włosów. W większym stężeniu służył on także do zabijania bakterii w przemyśle spożywczym, a jako rozpraszana mgiełka jest wykorzystywany do zabijania bakterii w salach operacyjnych. Przemysłowo nadtlenek wodoru używany jest w stężeniu do 60 proc., a koszt jednego litra takiej cieczy wynosi 20–30 zł (dla najczystszych typów, bo cena przemysłowego jest i rzędu kilku zł/l, zależnie oczywiście od skali zakupu). W wyższym stężeniu oraz czystości (pod nazwą HTP, czyli High Test Peroxide) ten związek chemiczny w latach 70. był wykorzystywany przez Brytyjczyków jako utleniacz do specjalnego rodzaju nafty będącej paliwem kosmicznym. Bez niego satelity nie mogłyby zostać wyniesione na orbitę – proces spalania nie zachodzi bez tlenu, którego na dużych wysokościach, a zwłaszcza w przestrzeni kosmicznej, po prostu nie ma. Jeszcze wcześniej, w czasie II wojny światowej był wykorzystywany przez Niemców do walki z aliantami. W pociskach rakietowych V2, które spadały na Londyn, nadtlenek wodoru zasilał turbopompę pompującą właściwe paliwo i utleniacz, czyli alkohol etylowy i ciekły tlen. Był też używany jako materiał pędny w niektórych U-botach oraz po wojnie, głównie w USA, do napędu torped. Jednak żadne z tych rozwiązań nie stosowało nadtlenku wodoru w stężeniu 98-procentowym, które uzyskują chemicy z warszawskiego Instytutu Lotnictwa.

A to właśnie stężenie jest w tym wypadku kluczowe. Przykładowo, jeśli wynosi ono 70 proc., to podczas reakcji rozkładu tego związku temperatura przekracza 200 stopni Celsjusza. Przy 90-procentowym roztworze jest to ponad 700 stopni, a przy 98-procentowym nawet 960 stopni Celsjusza. – Nam udało się opracować relatywnie tani i bezpieczny sposób otrzymywania nadtlenku wodoru klasy HTP o maksymalnym stężeniu i czystości: 98 proc. Może on służyć jako jednoskładnikowy materiał pędny dla satelitów kosmicznych lub jako utleniacz w przypadku wykorzystania innego rodzaju paliwa – wyjaśnia dr Grzegorz Rarata, który wraz z Pawłem Surmaczem (do czerwca bierze udział w projekcie badawczym w USA) i Wojciechem Florczukiem stworzyli wynalazek. W olbrzymim uproszczeniu można powiedzieć, że z dwóch litrów 60-procentowego nadtlenku wodoru po odparowaniu, ponownym skropleniu i specjalnym oczyszczeniu otrzymuje się około litra nadtlenku 98-procentowego. – Jest to przezroczysta ciecz, która z wyglądu zupełnie przypomina wodę. Ale jest od niej znacznie cięższa, bo litr nadtlenku wodoru 98% waży ponad 1,4 kg w temperaturze 15 stopni Celsjusza – mówi Karolina Rokicka, która pracując przy projekcie od dwóch lat, wynalazek jeszcze usprawniła.

Największą zaletą H2O2 jest to, że pod wpływem katalizatora (może to być np. platyna lub tlenek manganu) rozkłada się, wytwarzając przy tym olbrzymie ilości energii. Jeden litr tej cieczy wystarczy, by wytworzyć aż 4,5 tys. litrów gazu. – I jest to w chwili wytworzenia gaz piekielnie gorący – dodaje chemik Grzegorz Rarata. Wystarczy kilka kropel, które spadną na metalową siatkę będącą katalizatorem, a w laboratorium unoszą się kłęby pary wodnej. Z kolei jeśli na katalizator położy się papier i na niego wyleje kilka (dosłownie) kropel nadtlenku wodoru, to po kilku sekundach, gdy ciecz przesiąknie przez papier, ten staje w płomieniach.

Drugą cechą decydującą o tym, że nadtlenek wodoru może być kosmicznym paliwem przyszłości, jest to, że podczas rozkładu za pomocą katalizatora powstają woda i tlen. Jest to bardzo istotne, ponieważ wcześniej stosowana jako paliwo kosmiczne hydrazyna okazała się związkiem wyjątkowo toksycznym i rakotwórczym – po kontakcie z nią trzeba przechodzić przez proces dekontaminacji, a instalacje, w których jest używana, muszą mieć kosztowne zabezpieczenia. To m.in. dlatego w 2008 r. w Instytucie Lotnictwa rozpoczęto prace nad programem badań i rozwoju nad ekologicznymi napędami rakietowymi. Poza tym chodziło też o efektywność. Im wyższe stężenie nadtlenku wodoru, tym ma lepsze osiągi jako paliwo rakietowe. W przypadku technologii kosmicznych jest to bardzo istotne – każdy kilogram więcej wyniesiony na orbitę to dodatkowe koszty. Poza tym bardziej wydajne paliwo to dłuższy czas życia satelitów i mniejsze zbiorniki.

O tym, że nadtlenek wodoru to paliwo przyszłości, wiadomo już od jakiegoś czasu. Problem w tym, że zaledwie kilka firm produkujących go na świecie, w tym jedna w USA, ma rządowe restrykcje na eksport ze względu na możliwe podwójne zastosowanie – nadtlenek może być stosowany w technologiach wojskowych. Jeszcze kilka lat temu produkowano go także w Szwecji. Ale proces jego powstawania jest trudny do opanowania – jest to silny utleniacz, który z wieloma substancjami tworzy mieszaniny wybuchowe. Ponadto jest on niezwykle wrażliwy na zanieczyszczenia – staje się wówczas niestabilny, co doprowadziło do pożaru skandynawskiego zakładu i zakończenia produkcji. – Nam udało się zwiększyć bezpieczeństwo procesu wytwarzania dzięki zastosowaniu głębokiej próżni. W warunkach normalnego ciśnienia atmosferycznego ryzyko wybuchu jest za duże – opowiada Grzegorz Rarata. Dziś laboratorium w Warszawie jest jedyną placówką badawczą, która preparuje nadtlenek wodoru w takim stężeniu w Europie. Dzięki temu stołeczni chemicy wzięli już udział w kilku projektach realizowanych przez m.in. Europejską Agencję Kosmiczną.

Zazwyczaj w naszym cyklu Eureka DGP piszemy o tym, jakie są szanse na komercjalizację, wdrożenie do produkcji czy pozyskanie odpowiednich certyfikatów umożliwiających wprowadzenie wynalazku na rynek. W tym przypadku możemy sięgnąć po czas przeszły. Pod koniec 2013 r. Instytut Lotnictwa rozpoczął rozmowy o wdrożeniu produkcji przemysłowej z zajmującą się m.in. technologiami bezpieczeństwa i produkcją sejfów firmą Jakusz z Kościerzyny. Po dogłębnej analizie rynku i sprawdzeniu popytu na nadtlenek wodoru, pod koniec ubiegłego roku uruchomiono pilotażową instalację i produkcję w skali technicznej. I choć w najbliższych latach klientami kupującymi substancję prawdopodobnie będą głównie laboratoria i ośrodki badawcze (cena jednego litra H2O2 wynosi nawet kilkaset euro), to z dużą dozą prawdopodobieństwa można założyć, że z biegiem czasu i rozwojem technologii grono klientów będzie się szybko powiększać. A wtedy firma z Pomorza już na starcie będzie krok przed konkurencją.