Evropští výzkumníci zkoumají konopnou celulózu pro použití v high-tech gelech

Snímky aerogelové kuličky z konopné celulózy získané skenovacím elektronovým mikroskopem.Snímky aerogelové kuličky z konopné celulózy získané skenovacím elektronovým mikroskopem.

Němečtí a francouzští vědci zkoumají nové způsoby získávání celulózy z odpadních konopných vláken pro výrobu aerogelů, high-tech materiálů s širokým průmyslovým využitím.

Zatímco v minulosti se aerogely vyráběly z vysoce znečišťujících anorganických látek, jako je oxid křemičitý nebo oxid hlinitý, cílem výzkumu je pokročit v jejich vývoji z ekologicky šetrnějších organických polymerů a uhlíku.

„To otevírá dveře pro využití odpadních konopných vláken jako hlavního zdroje celulózy pro tyto materiály. Tuto celulózu lze získat v nenáročných podmínkách, s použitím levných a bezpečných reaktantů,“ uvedl Diogo Costa, stipendista evropského programu Marie Skłodowska-Curie Industrial Doctorate. Costa tento materiál zkoumá v rámci svého širšího výzkumu cirkulární ekonomiky založené na biomateriálech.

Costův výzkum je financován z grantu Biobased Value Circle (BVC), konsorcia čtyř evropských univerzit, jednoho výzkumného ústavu a devíti evropských firem.

Co jsou aerogely?

Aerogely, ve kterých je kapalný obsah nahrazen vzduchem, byly vynalezeny ve třicátých letech 20. století a v posledních dvaceti letech se těší zvýšené pozornosti. Používají se jako super- a ultrakondenzátory, baterie a odsolovací elektrody, dále jako vysokoteplotní izolační materiál a také jako katalyzátor pro uhlíkové nanotrubice a další materiály. Tento pevný a současně porézní materiál nabízí zásadní výhodu v podobě nízké tepelné vodivosti, tedy prostupu tepla.

NASA používá aerogely pro izolaci v nosných a dopravních raketách, ve vybavení pro podporu života, v testovacích stojanech raketových motorů a v izolaci rukou a nohou astronautů. Komerční aplikace zahrnují nejen izolaci potrubí a využití ve stavebnictví či v součástkách pro elektrospotřebiče, chladicí zařízení a automobily, ale i spotřebitelské využití, například v oblečení.

Jak uvedl Costa, výzkum zatím ukázal, že aerogely ve formě kuliček, plátů a válcových monolitů vyrobené z celulózy extrahované z konopí jsou stejně účinné jako aerogely získané z běžné průmyslové celulózy.

Celulózová aerogelová kulička, plát a monolit.

Příležitost k růstu

Celulóza, která tvoří 65–75 % biochemického složení konopných vláken, je zajímavá především pro svou vysokou dostupnost, slučitelnost s životním prostředím a také to, že ji lze získat z odpadních zdrojů, uvedl Costa.

„Tento nový typ materiálů otevře nové příležitosti pro růst firem podnikajících v konopném sektoru a může vytvořit nová a lepší pracovní místa ve venkovských oblastech, to vše spolu s dalšími dobře známými environmentálními přínosy konopí,“ prohlásil. „Aerogely se postupně stanou větším a zajímavějším trhem, na kterém se může konopný průmysl podílet, ať už jde o producenty, kteří chtějí zužitkovat svůj odpad, nebo o nové oblasti, firmy a investory.“

Podle newyorského výzkumného centra Future Market Insight je současný trh s aerogely odhadován na 1 miliardu dolarů a do roku 2030 se předpokládá meziroční růst o 17 %.

Výzkumní partneři

Na výzkumu, který zahrnuje vývoj produktu a zhodnocení dodavatelského řetězce, spolupracuje Diogo Costa s Německým střediskem pro letectví a kosmonautiku (DLR) se sídlem v Kolíně nad Rýnem, jež vyvíjí materiály nahrazující současné tepelné izolanty na bázi ropy, a se startupem KEEY Aerogel z Habsheimu ve Francii. Obě společnosti jsou členy výše zmíněného konsorcia BVC.

Vedle výzkumu potenciálu konopných vláken nízké kvality, která zbyla po zpracování konopných stonků, jako základu pro nový druh netoxických aerogelů na rostlinné bázi, studuje Costa také možnosti rozšíření výroby a komercionalizace těchto produktů, což je podle jeho slov zásadní výzva.

Výzkumník Diogo Costa

„Současné metody vývoje aerogelů na bázi konopné celulózy jsou stále časově náročné,“ řekl Costa. „Je třeba je optimalizovat a zohlednit mnoho dalších faktorů, mimo jiné odolnost vůči vlhkosti, mikrobiální aktivitu a hořlavost,“ upřesnil.

Mezi klíčové výzvy, které se řeší v obecném rámci politik EU zaměřených na prosazování ekonomických modelů založených na rostlinných zdrojích a oběhovém hospodářství, což je širší kontext Costova výzkumu, patří zeštíhlení logistických řetězců a snížení závislosti na surovinách dovážených ze zahraničí.

V souladu s programem „Green Deal“

Vzhledem k tomu, že EU označila konopí za „základní plodinu“ v rámci Společné zemědělské politiky, a vzhledem k ambiciózním environmentálním cílům, které představuje evropský Green Deal (Zelená dohoda), Costův projekt dokonale zapadá do evropské strategie rozvoje těchto alternativních ekonomických modelů.

„Zhodnocování plodin jako je konopí, len, kukuřice a pšenice a příslušných odpadů je jednou z hlavních alternativ zkoumaných v EU,“ dodal Costa.

V rámci evropské Zelené dohody a Evropské strategie pro biohospodářství se očekává, že EU aktualizuje legislativu a označování produktů na biologické bázi a spustí investiční platformu v hodnotě 100 milionů eur zaměřenou na cirkulární ekonomiku, což má spolu s dalšími opatřeními napomoci mobilizaci zástupců akademické sféry, průmyslu a firem, poznamenal Costa.

Evropská unie také v posledních sedmi letech investovala 3,7 miliardy euro do výzkumných a inovativních projektů z oblasti bioekonomiky. Předpokládá se, že tyto investice v rámci programu Horizon Europe, klíčového programu financování výzkumu a inovací věnovanému výzvám v oblasti klimatu, do roku 2030 narostou na 10 miliard euro.

Složení konsorcia

Společnosti zapojené do konsorcia Biobased Value Circle zaměstnávají nebo hostí doktorandy na dlouhodobých stážích v rámci programu, jehož cílem je vyškolit novou generaci výzkumných pracovníků a podpořit tak vývoj inovativních bioproduktů, jež mohou vést k udržitelnější ekonomice.

Kromě společnosti KEEY jsou to společnosti B4Plastics, Belgie; BioEvol Srl, Itálie; ChemStream BVBA, Belgie; Fibrothelium, Německo; IFG Asota GmbH, Rakousko; Umlaut Transformation GmbH, Německo; Spintex Engineering Ltd., Velká Británie; a Technical Proteins Nanobiotechnology S.L., Španělsko.

Zapojenými institucemi jsou: Aachen-Maastricht Institute for Bio-based Materials z Maastrichtské univerzity v Německu; Univerzita Štýrský Hradec z Rakouska, Irská národní univerzita v Galwayi a BioTex Institute z Aachenské univerzity v Německu.