Kritický stav – každý ho někdy zažil – při ranním vstávání či při písemce. Není to nic pozitivního. Naopak jaderný reaktor v kritickém stavu je žádoucí. Co když je ale něco nadkritické? Co třeba nadkritický oxid uhličitý?
Nejdříve vysvětleme, co jsou to kritické podmínky pro kapalinu. Pokud bychom například v neprodyšně uzavřené tlakové nádobě zahřívali vodu, tak se kapalná voda bude stále více odpařovat a nad kapalinou bude vzrůstat tlak syté páry. Vzhledem ke vzrůstajícímu tlak nad hladinou však nedojde k varu. Když vodu zahřejeme až na 374°C, takzvanou kritickou teplotu, tak tlak páry nad hladinou dosáhne tlaku 217 atmosfér. A hle, v tu chvíli zmizí rozhraní mezi mezi kapalinou a plynem, zmizí hladina a už není možné rozlišit, zda látka je kapalinou nebo plynem! Dostaneme takzvanou superkritickou tekutinu.
CO2 je za normálních podmínek plyn. Pokud ale plyn zchladíme a stlačíme, dostaneme kapalný CO2. Jaká je kritická teplota a tlak pro CO2? Je to 31°C a 72 atm, tedy podmínky relativně snadno dosažitelné. Při překročení této teploty a tlaku dostaneme opět superkritickou tekutinu, která kombinuje vlastnosti kapaliny i plynu. Má docela vysoké hustoty jako kapalina, ale zároveň má minimální vnitřní tření (viskozitu) a minimální povrchové napětí, jak je typické pro plyny. A to jde technologicky skvěle využít. Kritického stavu CO2 je možné dosáhnout v uzavřené komoře, kam se nalije kapalný CO2. Nad kapalinou pak vznikne sytá pára o vysokém tlaku. Při zahřátí na 31°C pak zmizí hladina a máme nadkritickou tekutinu.
Magický přechod do nadkritického stavu CO2, prvních pár vteřin videa https://www.youtube.com/watch?v=-gCTKteN5Y4
Nadkritický CO2 je skvělé rozpouštědlo organických látek, ekologicky velmi šetrné a pro člověka neškodné, tedy vhodné i pro potravinářství. Díky nízké viskozitě a nízkému povrchovému napětí je navíc schopen pronikat dovnitř do pevných struktur včetně maličkých pórů. Proto se nadkritický CO2 používá třeba na extrakci kofeinu ze zelených kávových zrn pro přípravu bezkoefeinové kávy.
Zajímavou aplikací je i příprava nejlehčího materiálu světa, takzvaného aerogelu (kanál Veritasium https://youtu.be/AeJ9q45PfD0). Než si povíme co je to aerogel, vysvětleme pojem hydrogel, jehož příkladem je např. želé. Je to síťová struktura nějakého polymeru, vlastně taková houba s mnoha póry a chodbičkami, které do sebe natáhnou vodu a vytvoří pružné želé, které je tak jakoby z části kapalina. Aerogely se nedělají z želatinu – houbovou strukturu tvoří třeba SiO2. Nejprve se však udělá silicagel, kde houbovitá struktura amorfního SiO2 je naplněná kapalinou, např. vodou. Pro přípravu aerogelu je potřeba kapalinu z “houby” odpařit. Pokud bychom ale odpařovali vodu, tak houbovitá struktura zkolabuje, zbortí se, v důsledku sil povrchového napětí kapaliny, když kapalina opouští malé póry. Chtělo by to tedy odpařovat kapalinu, která má minimální povrchové napětí – a to je právě nadkritický CO2! Takže silicagel naplněný kapalinou se nejprve nechá máchat v kapalném CO2, čímž se původní kapalina v houbě nahradí tím kapalným CO2 a poté se CO2 přivede ke kritické teplotě, kde prakticky ztratí povrchové napětí a pak se sníží tlak a CO2 se začne odpařovat. Nakonec dostaneme samostnou houbovitou strukturu, kde všechny póry a chodbičky jsou naplněné jen vzduchem. Takový aerogel má hustotu jen o málo větší než vzduch a je vynikající tepelný izolant (díky Knudsenovu efektu), takže se používá třeba v kosmických aplikacích.
To ale není všechno. Superkiritický CO2 by mohl být využit i jako médium pohánějící turbíny v elektrárnách, přičemž by turbína mohla mít větší účinnost a menší velikost. Více zde.