Tässä blogikirjoituksessa tutkimme, miten katalyytit ovat mullistaneet sodan kulkua ja juurtuneet syvälle jokapäiväiseen elämäämme tänä päivänä.
Sana ”katalyytti” on peräisin kreikan kielen sanasta, joka tarkoittaa ”hajottaa”. Kansainvälinen puhtaan ja sovelletun kemian liitto (IUPAC) määrittelee katalyytin ”aineeksi, joka muuttaa reaktion nopeutta kulumatta itse prosessissa”.
Mielenkiintoista kyllä, kun katalyytin käsite ensimmäisen kerran syntyi, sitä käytettiin enemmän taiteen kuin tieteen alalla. Esimerkiksi, aivan kuten väriä vaihtava katalyytti, se toimi muutoksen välineenä ja sitä pidettiin joskus taiteellisena ilmaisun muotona. Katalyyteistä tuli kuitenkin myöhemmin keskeinen tekijä tieteen ja teknologian nopean kehityksen vauhdittamisessa, ja niiden voima korostui erityisesti äärimmäisissä tilanteissa, kuten sodassa. Ensimmäistä maailmansotaa voidaan pitää tällaisten esimerkkien lähtökohtana.
Vaikka sodan puhkeamisen syitä voidaan analysoida useista poliittisista, sosiaalisista, diplomaattisista ja taloudellisista näkökulmista, tässä artikkelissa aihetta lähestytään "katalyyttien" näkökulmasta. Kaikki alkoi 20-luvun alussa saksalaisten tiedemiesten Fritz Haberin ja Carl Boschin myötä.
Tuolloin typpihappo oli yksi ruudin valmistuksen olennaisista ainesosista, mutta ennen 1900-lukua typpihappoa ei ollut mahdollista tuottaa keinotekoisesti suuressa mittakaavassa. Vaikka typpihappoa saatiin käyttämällä Etelä-Amerikassa runsaasti esiintyvää mineraalia, salpietaria, mineraalin saatavuus oli hyvin rajallista ja kuljettaminen vaikeaa, mikä rajoitti sen laajamittaista teollista käyttöä. Haberin ja Boschin vuonna 1913 kehittämä ammoniakkisynteesimenetelmä voitti tämän rajoituksen. Tämä menetelmä, jossa ammoniakkia syntetisoidaan typen ja vedyn reagoimalla rautakatalyytin avulla, tasoitti tietä lannoitteiden ja typpihapon keinotekoiselle tuotannolle.
Mikä tärkeintä, ammoniakin massatuotanto tehtaissa tuli mahdolliseksi. Tämä johti maatalouden tuottavuuden dramaattiseen paranemiseen – niin suureen, että sitä kutsuttiin "vihreäksi vallankumoukseksi" – ja samanaikaisesti mahdollisti sotilasteollisen kompleksin räjähdysmäisen kasvun. Tämän seurauksena Saksa pystyi turvaamaan sodankäyntiin tarvittavat resurssit, joista tuli se aineellinen perusta, joka mahdollisti ensimmäisen maailmansodan aloittamisen.
Vaikka sota päättyi, katalyyttisen teknologian kehitys ei pysähtynyt. Saksa kärsi tappion Yhdysvaltojen liityttyä sotaan vuonna 1917, mutta vuonna 1926 syntyi toinen innovatiivinen prosessi: Bergius-prosessi ja Fischer-Tropsch-prosessi. Näistä Fischer-Tropsch-prosessi on tekniikka, jossa käytetään katalyyttiä hiilimonoksidin ja vedyn seoksen reagointiin korkeassa lämpötilassa ja paineessa hiilivetyjen ja niiden johdannaisten syntetisoimiseksi. Tässä prosessissa syntetisoidut hiilivedyt ovat C1-C12-alkuperäisiä ja niitä käytetään tuttujen polttoaineiden, kuten dieselin ja kerosiinin, muodossa.
Saksa oli maa, jolla oli runsaasti hiilivaroja, mutta öljyä. Käyttämällä tätä prosessia synteettisen öljyn tuottamiseen kivihiilestä se pystyi kuitenkin ratkaisemaan resurssiongelmansa jossain määrin. Tämän pohjalta Saksa aloitti toisen maailmansodan vuonna 1939. Tuolloin Saksa pystyi tyydyttämään 95 % lentobensiinin tarpeestaan ja 60 % öljyn kokonaistarpeestaan synteettisellä öljyllä. Vuonna 1944 liittoutuneet kuitenkin käynnistivät keskitettyjä ilmapommituksia Saksan synteettisen öljyn tehtaisiin, mikä kulutti loppuun sen polttoainevarastot, mikä lopulta johti Saksan tappioon.
Vaikka katalyyttinen teknologia kehittyi sodan hirvittävän historian keskellä, siitä on sittemmin tullut syvästi osa elämäämme ja se on aiheuttanut merkittäviä muutoksia. Hyvä esimerkki tästä on muovi.
Nykyään käytämme sitä niin monenlaisissa tuotteissa, että on vaikea kuvitella elämää ilman muovia. Nämä muovit luotiin öljynjalostusprosessista peräisin olevista aineista synteettisen öljyntuotannon kehittymisen jälkeen.
Vuosina 1953 ja 1954 Giulio Natta ja Karl Ziegler kehittivät vahingossa polymerointikatalyyttejä, jotka tasoittivat tietä muovien, kumin, synteettisten kuitujen ja synteettisten hartsien helpolle massatuotannolle. Raakaöljyn tislauksen ja jalostuksen aikana se erotetaan nestekaasuksi, naftaksi, kerosiiniksi ja dieselpolttoaineeksi lämpötilan laskevassa järjestyksessä. Näistä nafta jalostetaan bensiiniksi ja BTX:ksi (bentseeni, tolueeni, ksyleeni) rikinpoistokatalyyttien avulla ja muunnetaan muoviraaka-aineiksi polymerointikatalyyttien avulla.
Katalyyttiteknologian sovellukset eivät lopu tähän. Zeoliitteja käytetään "ympäristökatalyytteinä" ympäristön puhdistamiseen; entsyymejä käytetään "biokatalyytteinä" biologisten reaktioiden helpottamiseksi; ja titaanidioksidikalvot ovat erinomainen esimerkki "fotokatalyyteistä", jotka muuntavat valoa energiaksi. Jos katsomme ympärillemme, katalyyttejä käytetään autoteollisuuden materiaaleissa, polttoaineissa ja pakokaasujen puhdistusjärjestelmissä, ja niitä sovelletaan erilaisiin arkipäivän tuotteisiin, kuten ruokajätteen hävittäjiin, käsienlämmittimiin, haavan desinfiointiaineisiin, alkometreihin, margariinin tuotantoon ja säilöntäaineisiin.
Olemme nyt saavuttaneet pisteen, jossa on mahdotonta kuvitella nykyaikaista elämää ilman katalyyttiteknologiaa. Fossiilisten polttoaineiden ehtyessä bioenergian kehittäminen on saamassa yhä enemmän huomiota. Katalyysin kehitys on edelleen käynnissä, mukaan lukien teknologiat, kuten bioetanolin tuottaminen kasveista, kuten maissista, auringonkukista ja oliiveista, sekä vedyn tuotanto valoenergiasta fotokatalyyttien avulla.
Lyhyessä ajassa harppauksin edennettyään katalyyttiteknologiasta on tullut keskeinen tekijä, joka ylittää yksinkertaiset kemialliset reaktiot ja muuttaa ihmiskunnan historiaa, sivilisaatiota ja elämänlaatua. Jatkossakin katalyytit tarjoavat loputtomasti potentiaalia eri aloilla – kuten energiassa, ympäristössä ja bioteknologiassa – ja rikastuttavat jokapäiväistä elämäämme entisestään.
