Schiller Róbert
Mit hozzon a jövő a vegyésznek?


Kockázatos mesterség a jósé - nem árt a vigyázatoskodás. A természettudományok környékén meg, ahol nagyon is könnyű tényekkel és tapasztalattal cáfolni a jóst, különösen óvatosnak kell lenni. Különben úgy járunk, mint ... Mint például a filozófus Auguste Comte, aki a soha meg nem tapasztalható dolgok példájaként említette az állócsillagok kémiai összetételét, hogy aztán néhány évre rá Bunsen és Kirchhoff színképelemzése a sugárzó égitestek részletes és pontos elemanalízisével szolgáljon. Vagy mint a XIX. században élt nagy osztrák sebész, Billroth, aki azt mondta, kartársai megvetését vonja magára az az orvos, aki valaha is egy élő ember szívéhez mer nyúlni. Vagy mint H. G. Wells, aki úgy gondolta, a repülés soha nem fog fontos szerepet játszani a közlekedésben. Vagy mint a magfizika atyja, Rutherford, aki szerint a magenergiát hasznosítani mindig is képtelenség lesz. A példákat szaporíthatja mindenki, aki szeret nagy elmék nagy tévedései felett gúnyolódni. Ennél talán érdekesebb azon elgondolkodni, hogy az említett példatár csupa negatív jóslatból áll: azt mondta ki mindegyik, hogy mi nem lesz.

Mintha a pozitív jóslatokkal könnyebb lenne a dolog. Főleg az utóbbi száz-százötven évben, a technikai civilizáció gyors és egyre gyorsabb fejlődésének az idején, amikor a természetes előrelátás, a jelen állapotának gépies extrapolálása könnyű kilátást nyit a közeli jövőbe tekintő szemnek. Repülés, távolbalátás, műanyagok, űrutazás - ezek voltak a XIX. század nagy reményei, Verne Gyula vagy a Jövő század regényét író Jókai jövendölései. Hogy egyfelől a XX. század rémisztőbb perspektívái: Huxley Szép új világának kémiailag és lélektanilag uniformizált tömegei és genetikai rémálmai, Orwell regényeinek társadalmi lidércnyomása; másfelől az olcsóbb sci-fi irodalom nagyon is itteni és mostani viszonyokon nyugvó műszaki ábrándjai aztán szépen, rendben megvalósuljanak, gyakran túltéve a jósok képzeletén is. Ahogyan Erich Kästner jó hetven éve írt, nagyszerű gyerekregényében, a Május 35.-ben olvashatunk a sétája közben telefonálgató úrról - ma már csak azt nem értjük a rajzon, hogy mire való a kagylóhoz a zsinór. Mindezzel nem szeretném azt mondani, pedig ez a hevenyészett felsorolás arra utalhatna, hogy néha nagyobb intellektuális erő kell az értékes tévedéshez, mint az olcsó telitalálathoz.

"Egy úr ...telefonkagylót vett ki a kabátzsebéből, bemondott egy számot, és már beszélt is"
(Erich Kästner: Május 35., Horst Lemke rajza, Holnap Kiadó, 2001)

Akárhogyan is van, óvatlan dolognak látszik a jóslás. Meg is kerülöm a szerkesztőség megtisztelő felkérését: nem arra válaszolok, hogy mit várok a jövőben a kémia fejlődésétől. Inkább arról írok, mit szeretnék, ha megvalósulna.

Az idő múlása

Minden anyag atomos szerkezetű - ezt régtől fogva tudjuk, még régebb óta hiszszük. Az atomok pedig, akár apró elefántcsont golyóknak, akár bonyolult felépítésű, elektromosan töltött részecskékből álló rendszereknek gondoljuk is őket, a mechanika és az elektrodinamika törvényei szerint hatnak egymásra és a környezetükre, úgy mozognak térben és időben, ahogyan ezek az alapvető törvények azt megszabják. Newton és Maxwell klasszikus törvényei persze nagyon sokban különböznek az atomi és szubatomi részecskékre vonatkozó kvantummechanikai törvényektől; egy alapvető kérdésben azonban egyformák: múlt és jövő között nem lehet különbséget tenni a segítségükkel. Az inga lengése méri ugyan az időt, de nem tűzi ki a mozgás kezdeti pillanatát. A fénysugár útja megfordítható, tárgy és kép helye felcserélhető. Két, egymás közelében mozgó hidrogénatomról nem lehet megmondani, hogy azok éppen molekulává egyesülnek vagy egy molekula bomlásából származnak. Ha azonban sok, nagyon sok atomból, molekulából álló rendszereket vizsgálunk, egy esőcseppet, egy csésze teát, egy darab égő szenet, vagy egy almát, világos mindannyiunk számára, hogy miként múlik az idő. Az esőcsepp felszárad, a tea kihűl, a szén elég, az alma elrothad. Kevés atom nem ismeri az idő irányát, sok meg igen? Mitől?
Ez a kérdés már vagy egy és negyed század óta nyugtalanít mindenkit. A klaszszikus válasz, amelyet Boltzmann és Gibbs fogalmazott meg, majdnem hibátlan. Sok részecske, úgy mondják, a valószínűség törvényeit is követi, nemcsak a mechanikáét. A környezet hőmérsékletére hűlő tea valószínűbb állapotban van, mint a melegebb. Amihez egyfelől persze a valószínűségnek valamilyen alkalmas, éppen ezekre a jelenségekre kitalált meghatározására is szükség van. Másfelől pedig önálló törvényként ki kell jelenteni, hogy a természetben a valószínűség mindig növekszik - ilyen kijelentés a valószínűségnek semmilyen matematikai elméletéből nem következik. Úgy tetszik, a statisztikus mechanika lángelméi csak átfogalmazták a kérdést, választ ők sem találtak rá.

Talán a szó hagyományos értelmében ilyen válasz nem is létezik. Vannak persze ragyogó gondolatok ezen a területen - a legelső éppen Boltzmanntól származik. Ő kis nyomású gázokban végbemenő ütközések klasszikus mechanikáját vizsgálta, és úgy találta, hogy az ütközések során a rendszer egyre valószínűbb állapotba kerül. Ez a sokat emlegetett H-teoréma. Ezzel az egyik baj az, hogy nagyon speciális esetre érvényes csak. A másik, és ez talán a súlyosabb, hogy ilyen megfogalmazások vannak benne: "az ütközés előtt" meg "az ütközés után" ...vagyis az idő múlásának fogalmát nem az eredmény tartalmazza, hanem már a feladat kitűzése. De ettől eltekintve is, a H-teorémát általánosítani mindmáig nem sikerült.
Pedig az ezzel kapcsolatos erőfeszítésekről sokat lehet a szakirodalomban olvasni. Van aki úgy gondolja, hogy a választ messze a fizikai kémia hagyományos területein túl, az általános relativitás elméletben vagy a kozmológiában kell keresni. Itt a kémikusnak persze nincsen mit tennie, várnia kell, vajon mások megtalálják-e a megoldást. Őszintén remélem, meg fogjuk érteni, hogy miért múlik a természetben az idő.

A földi élet aszimmetriája

Lassan 200 éve lesz már annak, hogy Arago észrevette a kvarckristályok egy, látszatra nem nagyon fontos optikai tulajdonságát: elforgatják a rajtuk áthaladó poláros fény rezgésének a síkját. (Síkban poláros az a hullám, amelynek a rezgései egyetlen síkba esnek.) Később kiderült, hogy sok más kristály is hasonlít ebben a kvarchoz. Közös ezekben a kristályokban az, hogy csak forgási szimmetriájuk van, nincsen se szimmetria síkjuk, se középpontjuk. Ezért mindig két módosulatban fordulhatnak elő, ezek egymásnak tükörképei; a tükörképi párok azonos mértékben, de egymással ellentétes irányban hatnak a fényre. Aztán Pasteur és utána sokan mások azt is felfedezték, hogy vannak olyan szerves vegyületek, amelyeknek az oldatai is ilyen módon forgatják el a poláros fény rezgési síkját. Ezeknél a molekulák alakja aszimmetrikus abban az értelemben, ahogyan a kristályoké az a kvarcnál. Így a molekuláknak is kétféle módosulata lehetséges, ezek is egymás tükörképei, egyebekben azonban teljességgel egyformák.
A meglepő az, hogy az élettelen természetben a kétféle módosulat egyformán gyakori, jobbra és balra forgató kvarckristályból ugyanannyit talál a krisztallográfus. Az élő természetben azonban kivétel nélkül csak az egyik módosulat fordul elő. (No jó, majdnem kivétel nélkül - a másik módosulat egy ritka előfordulását éppen két magyar tudós, Ivánovics és Bruckner fedezte fel.) Az élővilágban minden aminosav, tehát minden fehérje, és minden cukor, akár egyszerű, akár összetett, csak az egyik fajtában létezik. Ebben a vonatkozásban nem különbözik egymástól a zuzmó és a jegesmedve, a fű, a tehén és az ember.

Azt voltaképpen könnyű megérteni, hogy miért kell az élő anyag molekuláinak a tükrös szimmetria értelmében egyformáknak lenniük. Egymásra hasonlító molekulák és belőlük egymásra hasonlító lények ugyanis csak így jöhetnek létre. De miért részesíti a természet előnyben éppen az egyiket a másikkal szemben - egyiknek nevezve azt a formát, amelyből mindanynyian felépülünk? Nem akarok erről bővebben írni, Markó Lászlónak A kémia nyelve címmel 2006 januárjában jelent meg a kérdésről alapos cikke ebben a folyóiratban. A probléma ennyiből is világos: véletlen-e, hogy a molekulák melyik aszimmetrikus módosulatából alakult ki az élővilág, vagy valamilyen alapvető, eddig fel nem ismert törvény hatását tapasztaljuk-e itt? Önmagunk megismerése is sürgeti a választ.

Kémiai energetika

Nagyon avultak a módszereink az energia felhasználásában. Most nem az energia forrására gondolok. Akár szénből és olajból, akár maghasadásból, akár a Napból, szélből vagy vízből nyerjük, az energiát évszázados módszerek segítségével használjuk fel, így tároljuk, így alakítjuk át. A gőzgépet feltaláló James Watt engedelmes követői vagyunk ezekben a kérdésekben.

Nagyban egyszerűsödnék, gazdaságosabbá is válna a folyamat, ha az energiát nem elektromos, hanem kémiai formájában szállítanánk és tárolnánk. Ha a felszabadított hő segítségével valamilyen nagy energiatartalmú, de stabilis vegyületet állítanánk elő. Ezt a vegyületet aztán tárolhatjuk, szállíthatjuk, eloszthatjuk a fogyasztók között, akik helyi és pillanatnyi igényeik szerint szabadíthatják fel a benne tárolt energiát. A vegyületnek persze olcsónak és könnyen előállíthatónak kell lennie, az összes átalakulás pedig veszélytelen kell hogy legyen emberre és környezetére.

A kémiai energetikának ezek a követelményei. Úgy látszik, az elemi hidrogén jól megfelel mindennek. Vízből elő tudjuk állítani, a környezetre nézve ártalmatlan módon ég el vízzé, korlátlan ideig tárolható, tiszta állapotban veszélytelen, kémiai energiája hővé, elektromossággá alakítható, kiváló motorhajtó anyag, a kémiai nagyipar hatalmas mennyiségeket használ belőle. Vagyis a válasz: hidrogén-energetika. Erről a közeli jövőben fogok írni a lapban. Számos itt a gond és a nehézség. Ennek ellenére a terület sok kutatójával együtt remélem, hogy a hidrogén-energetika fontos szerepet fog játszani a közeli jövő energiaiparában.

Zöld kémia

Ez a mai vegyipar legfájdalmasabb gondja. Rossz híre támadt a kémiának az utóbbi évtizedekben. Szennyezi a környezetet, falja az energiát, kiszáradnak tőle az erdők, kipusztulnak a folyókból a halak, elmenekülnek a kertből a madarak. Lehet persze háborognunk annak a társadalomnak az igazságtalan (vagy annak gondolt) vádjain, amely a vegyipar minden előnyét, hasznát élvezi, tarthatjuk tudatlannak a műtrágyázás jóvoltából olcsón jóllakó emberiség harcát a műtrágyázás ellen, vélhetjük képmutatásnak az autón járó, műanyagot viselő, energiát tékozló lakosság környezetet féltő gondoskodását, azt azonban nem tagadhatjuk, hogy ha a vélekedések nem is megfontoltak, a gondok valódiak. A vegyiparnak nagyon sok olyan mellékterméke, hulladéka van, amely károsítja a természetet.

Tehát álljanak le a vegyi üzemek? Nyilván nem ez az út. Ne legyenek melléktermékek, hulladékok? De hát ez képtelenség! Helyesebben... Valamikor a konyhasót azért elektrolizálták, hogy nátron-lúgot állítsanak elő; a klórgáz a folyamat káros mellékterméke volt. Akkor még a környezetet nem tartották nagy becsben, az elektrolizáló üzem fölött időnként felhőkbe gyűlt a kiengedett, semmire se jó klór. Így volt ez, amíg a szerves nagyiparnak nem lett sok klórra szüksége, például a PVC kiindulási anyagának, a vinil-kloridnak az előállításához. Amióta sok PVC-t és etilén-dikloridot gyártanak, azóta a klórt gondosan összegyűjtik. Nem azért, mert óvják tőle a környezetet, hanem mert szükség van rá.

Hasonló a nátrium-szulfát története is. Ez a sósavgyártásnak és egy sor más vegyipari folyamatnak volt a használhatatlan hulladéka, amelynek elhelyezése, tárolása csak gondot és költséget jelentett. Amíg csak néhány évtizede nem vált a papírgyártás nélkülözhetetlenül fontos anyagává.
Piszok az, ami nincsen a helyén. Hulladék az, amit nem tudunk felhasználni. A vegyipar attól válik egyre zöldebbé, hogy az, amit ma haszontalan mellékterméknek, káros hulladéknak tartunk, az hasznos nyersanyaggá válik. Teller Ede óvott attól, hogy a nukleáris erőművekből származó kiégett fűtőelemeket úgy helyezzék el, hogy ahhoz ne lehessen többé hozzáférni. Ki tudhatja előre, hogy a bennük lévő anyagokra nem lesz-e valamikor nagy szüksége az emberiségnek?

Szeretnék bízni abban, hogy a vegyipar egyre több hulladékáért indít majd versenyt a piac.

Mindezt hogyan?

Erre válaszolni azért már mégiscsak minősíthetetlen önhittségre volna szükség. Vélekedtem, reménykedtem, ahhoz pedig nem kell kutatási stratégiát fűzni. Szívesen gondolok azonban Oláh György egy szavára. Azt mondta, hogy az ő munkáját mindig a kutatói kíváncsiság irányította, soha nem a várható gyakorlati haszon. Hanem amikor az eredmény már a kezében volt, akkor elgondolkodott azon, hogy miként lehetne azt valamilyen célra hasznosítani. Talán így kellene, persze a magunk szerény színvonalán, dolgoznunk mindannyiunknak.


Természet Világa, 138. évfolyam, 1. szám, 2007. január 
http://www.termeszetvilaga.hu/ 
http://www.chemonet.hu/TermVil/