Kada hladna voda vri

Pri temperaturi od samo 30 Celzijevih stupnjeva nagrađivani inovatori Nenad Mustapić i Mladen Kurić uspijevaju prisiliti tekućinu da zavri tj. mijenjaju joj kemijska svojstva fizikalnim putem. Kad bi primjenjivali hidrodinamičku kavitaciju na njihov način veliku bi korist imali industrija i kućanstva.

Nenad Mustapić, profesor na Veleučilištu Karlovac, i Mladen Kurić, student treće godine Stručnog studija strojarstva dobili su za svoje ‘Pilot postrojenje za primjenu hidrodinamičke kavitacije fluida’ Zlatnu medalju u kategoriji domaćih inovatora na Sajmu inovacija INOVA 2011., u studenom u Zagrebu. Tehnička i izvedbena strana ove inovacije vrlo je složena, a njihovo pilot postrojenje može se koristiti za razvijanje drugih postrojenja i tehnologija. Da ne ulazimo u detaljno objašnjavanje pojma kavitacija, možda je najjednostavnije reći da je to hladno vrenje, ili konkretno, kako učiniti da voda zavrije pri temperaturi od 30 °C. Ima za to više poznatih načina, od kojih je najjednostavniji da se smanji tlak, ali profesor Mustapić objašnjava kako oni taj efekt postižu na dva dodatna načina.

Za razliku od kavitacije izazvane ultrazvukom gdje nastaju vakuumski mjehurići, kavitacijom prouzročenom pumpom u vodi u kojoj je ekstremno povećana brzina njenog gibanja ili vrtoženja nastaju mjehurići pare koji se nakon brzog rasta implozivno urušavaju. Ti mjehurići nastaju kao posljedica narušavanja odnosa kohezijskih i adhezijskih sila, prouzročenih razlikom brzine dijela tekućine koja se giba u odnosu na onu koja je u tom trenutku pasivna.

Objašnjavajući razumljivim riječima stvaranje efekta hidrodinamičke kavitacije i njenih učinaka na tekući medij u kojem se ona izvodi, Mustapić i Kurić kažu kako je jedan od načina da se vodu natjeru da provrije taj da se njen protok jako ubrza, a drugi način je stvaranje vrtloga s istim rezultatom. Nakon toga, geometrijskim dizajnom unutar uređaja stvaraju se uvjeti koji omogućuju implozije mnoštva mikromjehurića nastalih vrenjem vode. Te se implozije događaju u milisekundama, pa sukladno tome, u tako kratkim vremenskim odsećima nastaje na toj razini i tako velik tlak od 1000 bara i temperatura od 1000 °C.

Na mikro razini te su fizikalne pojave toliko moćne, da to doslovce u svijetu mikroorganizama izgleda kao kad se dubinskim bombama gadaju podmornice. U ovom slučaju takvim implozijama mikromjehurića s nalazim pritiskom od tisuću bara u krugu od nekoliko milimetara razbijaju se stanične membrane svakog živog mikroorganizma. To područje djelomice još kao da je na rubu znanosti i zahtijeva daljnja istraživanja, od plazme prema hladnoj fuziji. Zapaženo je prilikom kavitacije i emitiranje svjetlosti, što ukazuje na vjerojatnu pojavu stanja plazme materije u kratkom vremenskom odsječku. Materija dovedena u stanje plazme, osim što se čudno ponaša, emitira i svjetlost, a u vodi stvara molekularni kisik koji je izraziti radikal. Time se postiže savršen dezinfekcijski učinak, i što je vrlo važno, čistim fizikalnim načinom, bez ikakvih dodatnih kemikalija, i tu posebno dolazi do izražaja i taj ekološki aspekt naše inovacije. Uporaba kemijskih sredstava kod dezinfekcija ima s jedne strane pozitivne učinke u uništenju neželjenih organizama, ali s druge strane dobivate kontaminiranu vodu – kaže Mladen Kurić.

U tehničkom smislu, Mustapić i Kurić opisuju kako efekte ubrzanja toka vode stvaraju pumpama, a kontrolirane turbulencije stvaraju specijalno konstruiranim geometrijskim elementima. Tek nakon mnoštva mjerenja i izračuna koeficijenata postigli su potrebni sklad te geometrije i odnosa strujanja tekućine, i to je jedna od ‘caka’ na kojima se zasniva njihova inovacija.

U svjetskim stručnim časopisima, kaže Nenad Mustapić, već su objavljeni članci o podvrgavanju viskija ultrazvučnoj kavitaciji, koja je ponešto drugačija od hidrodinamičke. Opisujući taj postupak, autori tvrde se da su u viskiju utjecajem ultrazvučne kavitacije nastale vanilinske kiseline i vanilini u količini i kvaliteti koje ima viski nakon 10 ili 20 godina zrenja. Prema tim tvrdnjama fizikalnim se djelovanjem uspjelo postići efekt umjetnog starenja i poprimanja plemenitijih odlika dobro odležanog i zrelog viskija. – Slična su istraživanja napravljena i na rižinim vinima s kojima su postignuti također odlični rezultati, dok kod vina od grožda nisu poznati takvi efekti. Kod žestokih alkoholnih pića zacijelo su ti efekti starenja i zrenja izraženiji. Njemačka tvrtka Hielscher Ultrasonics koja proizvodi te laboratorijske ultrazvučne kavitatore na svojoj web-stranici reklamira se da tom tehnologijom oplemenjuje ocet i pretvara ga uz dodatak praha hrastovine u aceto balsamico – objašnjava Mustapić. Uspoređujući svoju hidrodinamičku kavitaciju s onom ultrazvučnom, Mustapić i Kurić tvrde da je njihova kavitacija deseterostruko efikasnija u prijenosu energije u fluid. Druga bitna prednost je direktna i jeftina primjenjivost i za velika industrijska procesna postrojenja uz jednostavnu prilagodbu i performanse istovjetne onima u laboratorijskoj varijanti, dok ultrazvučna kavitacija svakim povećanjem kapaciteta iznad laboratorijskih gabanata zahtijeva i daleko veća ulaganja i utrošak skupe energije.

Hidrodinamička kavitacija ili hladno vrenje omogućava savršenu dezinfekciju fizikalnim načinom, bez ikakvih kemikalija. Moguća je i njezina šira primjena, npr. u kozmetičkoj industriji ili pri proizvodnji biodizela.

U tako izazvanim kratkotrajnim ekstremnim uvjetima na mikrorazini fizikalnim se efektima u tekućim medijima postižu kemijeske promjene, od znatnog ubrzavanja kemijskih reakcija do razbijanja složenih lanaca proteinskih molekula.

Može se također i pospješiti strukturu nekih spojeva; ukratko – može se fizikalnim putem stvarati kemijeske efekte bez dodavanja kemijskih reagensa. U najjednostavnijem slučaju, ovim se postupkom efikasno može dezinficirati voda, ili gotovo potpuno izbaciti uporabu otrovnih kemijskih dezinficijensa, kakav je primjerice klor-dioksid. Zamislite samo bazene bez onog odbojnog i nadražujućeg klor-dioksid, a to se vrlo jeftino može postići ugradnjom ovakvih uređaja za hidrokavitaciju, a još je bolji efekt u kombinaciji s ozonom otopljenim u takvoj vodi. Kavitacijom vode nastaju čak i OH radikali koji djeluju vrlo bakteriциdno. U slučaju proizvodnje biodiesela, hidrodinamičkom kavitacijom može se pospješiti postupak transesterifikacije i iz loših sirovina kao što su razna i pomiješana otpadna ulja dobiti biodiesel, odnosno gorivo koje odgovara odgovarajućoj normi – kažu Mustapić i Kurić.

Sličan koncept na idejnoj razini prihvatio je nedavno i IMO (International Maritime Organisation), kao jedan od mogućih tehnoloških postupaka za neutralizaciju opasnih balastnih voda u brodovima.

Cijena njegovog pročišćavanja do tražene čistoće je sad neprihvatljiva, pogotovu kad je glicerolu cijena pala. Međutim, jeftinijim postupkom pročišćeni glicerol acetali, kao spojevi s vrlo razgranatom strukturom, mogli bi pomoći i s biodizelom od kaferijskih, dakle otpadnih životinjskih masti, poboljšati njegova svojstva pri nižim temperaturama. Dodavanjem tako pripremljenog biodizela naftnom diesel gorivu pospješuje se izgaranje takvog goriva, a pri tome se prepolovljuje i štetna emisija sitnih čestica.

Inače, među studentima na njihovom odjelu pažnju je privukla, zasad teoretska mogućnost koju i praksi treba i ispitati, da se kavitacijom procesuiru i alkohol, da tako se poboljšaju svojstva alkohola i ostalih komponenti koje daju ukupnu kvalitetu nekom piću. Tako se nešto pokušavalo ultrazvučnom kavitacijom. Karikirano, u hipotetski bi se dinamičkom kavitacijom možda mogli postići efekti starenja i višegodišnjeg odležavanja, pa bi, recimo, za dva dana od vinjaka Cezar ili nekog sličnog pića dobili nešto nalik čuvenom konjaku Courvoisieru, objašnjava Mustapić.

Nagrađeni dvojac inovatora traži oblike suradnje sa znanstvenom zajednicom, posebno stručnjacima iz područja kemije radi znanstvene verifikacije rezultata daljnjih istraživanja i aktivnosti u primjeni hidrodinamičke kavitacije u različitim tekućim medijima, da im se na taj način i pomogne u iznalaženju optimalnih parametara.

Nakon što realiziramo neke već započete projekte u skupu opremanja našeg Veleučilišta, mi ćemo mnogo toga dalje moći i sami odraditi, ali za sada nismo u stanju takva mjerenja izvršiti nigdje u Karlovcu. Zato sad o brzini uspostave takve kvalificirane znanstvene suradnje ovisi i brzina razvoja dodatnih implementacija našeg pilot postrojenja, dodaje profesor Mustapić. Tom prilikom Mustapić je posebno zahvalio profesoru Branku Stanišiću, koji je bio voditelj projekta u kojem je počelo i ovo istraživanje o primjeni hidrodinamičke kavitacije, i bez čijih održanja ne bi bilo sredstava za izradu prototipa uređaja u kojim je uz nemjerljiv trud i znanje uloženo i 80 tisuća kuna, uglavnom sredstava Veleučilišta u Karlovcu. No, tek sad kad su prvi rezultati pokazali velike mogućnosti ovog pilot postrojenja za konkretnu primjenu, potrebno je osigurati još više sredstava nužnih za razvoj ove tehnologije, što se ne odnosi, dodaju Mustapić i Kurić, na njihove plaće, već na nabavu sofisticirane mjerne opreme i laboratorijskih kemikalija.

Pošto je već kao moguća primjena spomenut tretman brodskih balastnih voda, Mustapić kaže kako bi praktičnoj primjeni prethodilo opsežno istraživanje u kojem bi kao partner trebao biti neki institut na moru koji bi uzgajao određene vrste fito i zooplanktona i drugih morskih organizama radi eksperimenta s hidrodinamičkom kavitacijom i stručne analize posljedica njenog utjecaja na te vrste. Na pitanje što su poduzeli u vezi zaštite svog izuma kao intelektualnog vlasništva, Mustapić kaže da on ne smatra da je za takav izum potrebna silna zaštita.

Naprotiv, a evo i zašto: da biste nešto patentirali, morate potanko do najširijih detalja napisati kako nešto radi, i time ste onda drugima u potpunosti otkrili svoju tajnu. To je kao da napišete koji su sve sastojci u recepturi coca-cola i patentirate to, pa onda netko zamijeni dva sastojka i odmah ima neku drugu coca-colu. Eto, tako sad našu tajnu znamo samo moj mladi kolega i ja, pa ćemo do daljnega izbjegavati da zajedno putujemo istim avionom. No, šalu na stranu, ovdje bit ideje nije toliko u samom dizajnu ili konstrukciji, već u pravilnom podešavanju parametara čime konstrukcija ostvaruje željene performanse.