Zeleně zakalená voda cirkulující v průhledných skleněných trubkách v přízemí centra NETME není zapomenutým biologickým pokusem. Simulací v takzvaném bioreaktoru se snaží vědci působící při Fakultě strojního inženýrství zjistit, jak s pomocí mikrořas vyčistit spaliny a ještě do vzduchu místo škodlivých skleníkových plynů vypustit kyslík.
Dřív, než vznikl zhruba dva metry vysoký prototyp bioreaktoru, bylo nutné vytvořit simulaci v počítači. A právě za složité softwarové výpočty získal Miroslav Rebej ocenění Brno Ph.D. Talent, které ho podpoří v jeho výzkumu po dobu dalších tří let.
„Dokážeme změřit, jak se roztok s řasami chová v trubici, ale počítačové modelování nám dokáže říct i to, co se stane, když bude mít trubice místo dvou metrů na výšku deset metrů. Dnes se používá už poměrně populární pojem digitální dvojče,“ upozorňuje Rebej na důležitost počítačové simulace.
Na výzkumu se od konce předloňského roku kromě týmu odborníků z FSI podílí Akademie věd, konkrétně CzechGlobe. Právě z laboratoří Akademie věd pochází mikrořasy, které musí Rebej do svých výpočtů zahrnout. Mikrořasy tu fungují jako mikroskopické buněčné továrny schopné transformovat nevyčerpatelné přírodní zdroje, jako jsou sluneční záření, atmosférický uhlík a dusík do energeticky bohatých molekul.
V ideálním případě by byl na konci projektu návrh nádrže, do které by odcházely spalné plyny z různých energetických zdrojů a ekologicky se dočišťovaly. Hlavním studovaným producentem spalin jsou zařízení na energetické využití odpadu. Mikroskopické řasy by nejen že tyto spaliny vyčistily, ale navíc by do vzduchu vypouštěly místo skleníkových plynů díky fotosyntéze kyslík.
Chlorella nejen jako doplněk stravy
Opakovaně upravovat prototyp bioreaktoru by bylo nákladné a zabralo by mnoho času, proto jsou počítačové simulace způsobem, jak zjistit chování řas ve vodní lázni ještě předtím, než se do nasvícených skleněných trubic napustí.
„Řešíme, jak zařízení postavit, aby se třeba někde oxid uhličitý neshlukoval a v jiných místech naopak řasy nebyly bez něj. Nebo jak zajistit rovnoměrné světelné podmínky v celém prostoru. Řešíme i proudění a kudy řasy putují. Na konci bychom měli mít model, který by dokázal vzít v potaz dráhu putování řasy, kolik má světla a živin, a dokázal by nám říct, jestli za daných podmínek řasa poroste a o kolik,“ uvádí Rebej s tím, že stačí změnit třeba jen velikost bublinek odpadního plynu stoupajících k hladině a výsledky můžou být velmi odlišné.
„Na základě počítačových simulací dokážeme říct, kde jsou mrtvé rohy nebo že někde dostatečně neproudí voda. A díky tomu můžeme navrhnout, že když se konstrukce upraví, tak by řasy mohly růst třeba ještě o deset procent rychleji.“
Nejznámější z používaných řas je chlorella, kterou dnes lidé běžně berou jako doplněk stravy. A právě ta se využívá ve zmiňovaném bioreaktoru.
„Nechali jsme si namíchat simulační plyn, který je podobný spalinám, jen neobsahuje nejvíc karcinogenní látky. Zanedlouho ho začneme pouštět do bioreaktoru. To bude velmi důležité, protože konečně uvidíme, jak řasa na spaliny reaguje. Co ale víme, tak že dokud mají řasy oxid uhličitý k dispozici, tak ho spotřebovávají. Je tedy předpoklad, že na konci by se množství oxidu uhličitého ve spalinách zásadně snížilo,“ těší se na ostrou zkoušku bioreaktoru Vítězslav Máša.
Tím ale proces ověřování teprve začíná. „Většinou získáme nejdřív data z experimentů v laboratoři, tady díky Akademii věd. Potom se tím začneme zabývat softwarově a porovnáme, jestli to odpovídá. Počítačová simulace musí dělat to stejné, co se děje třeba v kádince v laboratoři. Pak už se tomu dá věřit a když to opakovaně sedí, tak je to super. A pak už se to dá přenést do větších rozměrů.“
Kromě snížení emisí skleníkových plynů by navíc samy řasy mohly sloužit jako vedlejší produkt, který sám roste a obnovuje se. Kvůli kontaktu se spalinami již ne třeba v potravinářství, ale využití by mohly najít jako hnojivo nebo biopalivo.
„Právě na tom pracují kolegové z CzechGlobe, kteří umí řasy v laboratorních podmínkách vhodně vystresovat. Můžete jim totiž měnit podmínky tak, aby se musely adaptovat, například na nedostatek světla. Jedním z výsledků je třeba to, že řasa produkuje hodně tuků, a tedy je ideální pro výrobu biopaliv,“ uzavírá Vítězslav Máša s tím, že se zatím nedá čekat, že bude zanedlouho stát vedle brněnské spalovny továrna, která bude produkovat řasy a do vzduchu vypouštět místo oxidu uhličitého kyslík.
„Našim cílem je mimo jiné vůbec zjistit, jestli je taková technologie pro čištění spalin využitelná, protože jde o kapacitu. Zařízení, které máme v současnosti postavené v laboratorním měřítku, toho přeci jen moc nevyčistí, zato ale přinese hodně odpovědí.“