„Először indultam tudományos diákköri versenyen, és nagyon örültem, hogy több színvonalas pályamunka közül az enyémet találta az egyik legjobbnak a szakmai zsűri. A BME színeiben részt vehetek a tavaszi OTDK-n is, ami ugyancsak hatalmas megtiszteltetés, az ösztöndíj pedig egy külön szakmai elismerés, amire nagyon büszke vagyok” – fogalmazott Kozák Áron, a BME Gépészmérnöki Kar (BME GPK) mechatronikai mérnök BSc-szakos hallgatója, aki egyike volt a Gábor Dénes Tudományos Diákköri Ösztöndíj legutóbbi nyerteseinek. Díjazott pályamunkájának címe: „Buborékdinamika a hidrogéngyártásban: energetikai hatékonyság numerikus optimalizációja” (témavezetői: Hegedűs Ferenc - egyetemi docens, és Kalmár Csanád doktorandusz, mindketten a BME GPK Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék munkatársai).
Kozák Áron a tanszéken zajló szonokémiai kutatásokba kapcsolódott be, amelynek keretében a szakemberek nagyon apró, mindössze néhány mikrométer átmérőjű buborékokat kémiai reaktorként próbálnak alkalmazni. Hidrogéngyártás során egy adott folyadékban (pl. vízben) oxigén vagy argon tartalmú, előre meghatározott mikroméretű buborékokat hoznak létre. E folyamat megvalósítására már léteznek technológiák, amelyeket korábban fémhabok vagy gyógyszerek gyártásához fejlesztettek ki.
A kutatók – általában – szinuszos ultrahanggal hozzák rezgésbe a létrehozott buborékokat, amelyek a radiális pulzálásuk során előbb kitágulnak, majd hirtelen összeroppannak. „Tágulás közben víz tud bepárologni a buborékon belülre, majd az összeroppanás során a buborék belsejében jelentős nyomás- és akár több ezer Kelvin-fokos hőmérséklet-emelkedés megy végbe. Ilyen körülmények között a víz hidrogénre és oxigénre disszociál, vagyis végbemegy a hidrogéntermelés folyamata” – ecsetelte a vizsgálatok részleteiről Kozák Áron.
A Gábor Dénes ösztöndíjas hallgató a buborékokban lejátszódó kémiai folyamatokat számítógépen szimulálja, emellett megoldásokat javasol a módszer energiahatékonyságának optimalizálására. Kozák Áron kifejtette, hogy vizsgálatai hozzájárulnak a kutatócsoport egyik fő célterületéhez is: a szakemberek a műtrágyagyártás alapanyagainak (ammónia, ammónium-nitrát vagy karbamid) metánmentes előállításán dolgoznak víz, levegő, szén-dioxid és ultrahangos távadók segítésével.
A hidrogéngyártás előállítása során jelenleg az energiaköltségek jelentik az egyik legfőbb megoldandó mérnöki kihívást. A hidrogén nagy részét jelenleg szénhidrogénekből állítják elő, például földgáz gőzreformálása lévén, ami egyben jelentős szén-dioxid kibocsátással is jár. A folyamathoz felhasznált, egyébként nem megújuló nyersanyagforrást az Európai Unión kívülről importálják, emiatt a kutatók célja részben az, hogy a hidrogéngyártás folyamatát minél inkább „zöldebb útra” tereljék.
Kozák Áron elárulta, hogy elméleti számításai során meghatározza, mekkora energia szükséges a buborékok rezgésbe hozásához, emellett numerikus szimulációk segítségével megállapítja a buborékokban keletkező hidrogén mennyiségét. E két érték elosztásából már egy olyan eredményt kap, amely direktben összevethető más egyéb módszerekkel, valamint a hidrogén égéshőjével is. Áron ehhez olyan modellt használt, amely csak egy darab gömbszimmetrikus, homogén belsejű buborékot vesz górcső alá, és egy közönséges differenciálegyenlettel is leírható. „A látszólagos egyszerűség ellenére a modell nagyon bonyolult. Pályamunkámban közel 60 egyenletre bontottam a folyamatot, ugyanis a buborék dinamikáján túl szükségesek a termodinamikával és a párolgással kapcsolatos számítások is, és ki kell számolni a buborékfalnál fellépő hővezetés is. Arról nem is beszélve, hogy a reakciómechanizmusban 11 vegyület között 29 reakció megy végbe. A folyamatokat leíró differenciálegyenletek ráadásul úgynevezett merev viselkedésűek, azaz numerikus megoldása rendkívül számításigényes. A feladatot tovább bonyolítja, hogy az optimalizálási számításokhoz a szimulációt többször is le kell futtatni bizonyos kontroll paraméterek (például buborék mérete, gerjesztés mértéke, környezeti nyomás, hőmérséklet stb.) finomítása, állítása után” – ecsetelte elméleti kutatómunkája részleteiről Kozák Áron.
A fiatal mérnökhallgató beszámolójából kiderült, hogy a megoldandó energiahatékonysági kérdések miatt a folyamat ipari alkalmazása egyelőre még nem valósult meg. A kutatócsoport emiatt pontosan ezen energetikai kérdések javításán dolgozik. A műegyetemi hallgató hangsúlyozta, hogy a hidrogén a fenntartható jövő szempontjából is egy nagyon fontos tényező, ugyanis az Európai Unió 2030-ig előirányozta évi tízmillió tonna belföldi és ugyanennyi importált, teljesen szén-dioxidmentes hidrogén előállítását. A megújuló energiaforrások változó időjárás okozta teljesítményingadozásának kiegyenlítése miatt szükség lenne például hidrogénes csúcserőművekre és energiatárolókra is. A hidrogén ezek mellett zöld üzemanyagként is alkalmazható, főként azokban a nagyobb járművekben, amelyekben a lítium-ion akkumulátorok kevésbé bizonyulnak jó megoldásnak (például kamionok, vonatok vagy repülők esetében). Kozák Áron szerint a szakemberek vizsgálják azt a feltevést, miszerint a hidrogén a globális emisszió jelenleg 7 százalékáért felelős acélgyártást is karbonsemlegessé teheti. A hidrogén nélkülözhetetlen összetevője a mezőgazdaságnak is: a műtrágya egyik fő alapanyaga az ammónia összetevőjeként.
Kozák Áron hamarosan befejezi alapképzését a Műegyetemen. Mindenképpen továbbtanul, ám azt még nem döntötte el, hogy belföldön és a Műegyetemen gépészeti modellezés mesterszakán, vagy külföldön folytatja tanulmányait. Most úgy látja, hogy a diploma megszerzése után az iparban szeretne munkát vállalni. „Nyitott vagyok minden lehetőségre, és meglátjuk, mit tartogat még a jövő. Most a mesterképzésre koncentrálok, mindenképpen szeretnék továbbtanulni” – zárta gondolatait a bme.hu-nak adott interjúban Kozák Áron.
Forrás: BME
A borítókép illusztráció, forrás: Adobe Stock
