Am fost în vizită la Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Tehnologii Criogenice și Izotopice – ICSI Rm. Vâlcea și, deși Știință&Tehnică nu este o publicație axată pe social sau pe relatări emoționale, trebuie să menționez că, în primul rând, am fost plăcut impresionat de oamenii pe care i-am întâlnit acolo și de atmosfera relaxată din momentele petrecute împreună cu ei.

Este o delectare să vezi cum, într-un mediu de lucru care impune precizie, profesionalism, exigență și foarte foarte multă știință – îndeosebi chimie – oamenii pot fi deopotrivă experți, prietenoși, zâmbitori, comunicativi și entuziaști. Într-un cuvânt, umani. Iar asta tocmai pentru că sunt îndrăgostiți de meseria lor, ceea ce ne-au transmis prin modul interactiv și deschis în care ne-au prezentat laboratoarele și proiectele institutului.

 

Activitatea ICSI este diversificată și foarte complexă, dar vă pot spune prin cuvintele mele câteva lucruri pe care le-am înțeles, nefiind nici pe departe un priceput într-ale chimiei și fizicii. Patru dintre laboratoarele pe care le-am vizitat, utilate cu echipamente moderne și înalt tehnologizate, reprezintă pilonii principali ai amprentării izotopice care se face la institut.

Acest procedeu presupune mai ales operațiuni de analiză a diferitelor alimente și băuturi – în special vinuri și miere – pentru verificarea caracteristicilor acestora, de la autentificarea originii (botanice și geografice) și până la identificarea tuturor compușilor din alcătuirea lor, inclusiv a cantităților prezente.

Pentru a înțelege mai bine, ne putem gândi la izotopii elementelor chimice din componența oricărei materii organice ca la niște etichete sofisticate care, citite cu aparatură foarte performantă, dezvăluie informații despre toată existența „subiectului” (produsului) analizat, ca un fel de rubrică history a browser-ului cu care navigăm pe internet și în care se stochează urme ale traseului parcurs online de utilizator.

La ICSI, specialiștii analizează produse alimentare precum băuturile spirtoase, alcoolul distilat, sucurile de fructe și chiar apele provenind de la izvoare sau surse de apă minerală din țară, dar mai presus de toate, analizează vin. Iar majoritatea acestor operațiuni se face la cererea clienților, care pot fi mici sau mari producători, persoane fizice sau structuri ale statului.

 

În cazul vinului, clienții solicită în general determinarea prezenței de apă exogenă, adică apa adăgată. Oamenii de știință ai institutului verifică acest lucru făcând o amprentare a izotopului O-18 (oxigen 18) din băutură și comparând rezultatul cu baza de date disponibilă – o bază de date înnoită anual cu materiale naturale de referință, primite de la stațiunile viti-vinicole din țară, cu care institutul are contracte semnate în acest sens.

O-18, pe lângă prezența apei exogene, corelată cu valorile carbonului 13 si distribuția deuteriului în molecula etanolului extras din probă, poate confirma originea geografică și anul de recoltă al vinului. Amprentarea izotopică funcționează și este atât de grăitoare cu privire la originea geografică și botanică a vinului, la vârsta și constituția lui pentru că cei trei parametri analizați – carbon-13, oxigen-18 și deuteriu – nu suferă deloc modificări de la strugure și până la produsul final, vinul.

Inițial, toată aparatura din laboratoarele vizitate era dedicată strict cercetării, dar ulterior, datorită legislației și cererii, teoria a fost transformată în practică și deci în prestarea de servicii. Așa cum ne așteptam, la expertiza profesioniștilor ICSI apelează uneori și unitățile de control al calității produselor care intră pe piața românească, dar institutul nu funcționează deloc ca un jandarm, iar producătorii autohtoni nu sunt obligați să își treacă producția prin filtrul de aici.

De asemenea, nu intră în atribuțiile institutului să sesizeze autoritățile sau alte unități competente dacă detectează în produsele analizate abateri de la norme. Dincolo de partea științifică, scopul serviciilor prestate aici este strict informativ și comercial, nicidecum legislativ sau judiciar, dar nu mai puțin important.

Datoria laboratoarelor este să măsoare, iar beneficiarul să ia măsuri. Există un contract de confidențialitate cu clientul. Și, pentru ca marfa să nu fie confiscată de cei de la control, el preferă adesea să plătească pentru serviciile institutului și abia apoi să comercializeze. Și nu doar românii sunt clienții ICSI, ci și moldovenii, bulgarii, ucrainenii, grecii, pentru că toată lumea caută să se alinieze cerințelor legislației europene, iar România are cele mai dotate laboratoare din „zonă” în acest sens.

Pentru a presta astfel de servicii, institutul este acreditat Renar pentru amprentare izotopică pe matricea vin, recunoscut de către Ministerul Agriculturii și este și nominalizat la Bruxelles pentru aceeași competență.

Tot în cazul vinului, prin amprentare izotopică (determinarea carbonului 13 și distribuția deuteriului în molecula etanolului extras din vin) se pot confirma adițiile de zaharuri în perioada de microvinificare (operație cunoscută sub numele de saptalizare) pentru mărirea tăriei alcoolice, situație întâlnită în anii cu ploi abundente în perioada de coacere-recoltare.

Saptalizarea se face cu derogare de la Ministerul Agriculturii și numai pentru anumite regiuni viticole, menționate în legislațiile viei și vinului din România. Adițiile de zaharuri se realizează și pentru obtinerea vinurilor dulci solicitate adesea pe piață, mai ales că în România sunt zone viticole puține unde se obțin în mod natural vinuri dulci. Cel mult demidulci și asta doar în anumite regiuni. Vinuri dulci se obțin în Moldova.

Totuși, în România, atunci când sunt „ani proști”, ploioși, se cere Ministerului Agriculturii să dea o derogare privind adaosurile și atunci se stabilesc anumite limite în care acestea devin posibile. Cu toate acestea, adăugarea de apă nu se tolerează, iar atunci când specialiștii ICSI identifică apă exogenă în vin, pentru explicații ei merg ori pe pista procesului tehnologic, ori îi îndrumă pe clienți să solicite INMH, de la perioada de coacere a strugurelui și până la recoltare, informații despre cantitatea de precipitații căzută și temperatura zonei din care provine vinul.

Pentru că oxigenul 18, ca izotop stabil al oxigenului, depinde de pătratul temperaturii. Și atunci se poate găsi o explicație pe plan local, în caz că au fost precipitații foarte abundente sau temperaturi scăzute, spre exemplu.

 

În anul 2012, s-a achiziționat la institut un spectrometru cu rezonanță magnetică nucleară, dedicat în special autentificării băuturilor, alcoolice și nealcoolice. Aparatul are la bază tehnica SNIF RMN (Site-Specific Natural Isotope Fractionation Nuclear Magnetic Resonance), care presupune măsurarea concentrației de deuteriu în molecula de etanol.

Se extrage etanolul prin distilare fracționată din băuturile fermentate liniștit, din distilate etc. etanolul din băuturi sau din băuturile fermentate și măsoară concentrația de deuteriu cu o sondă specială. O analiză durează 4 ore. ICSI deține singura licență din România pentru această tehnică Snif RMN și are o bază de date pentru vinurile produse începând din anii 1990 în toate țările producătoare, cu care compară probele care vin acum la verificat.

Demască orice conținut și orice cantități. Cu acest tip de amprentare se obține spectrul tuturor compușilor organici dintr-o probă. S-a dezvoltat la institut chiar și o metodă de determinare a compoziției uleiurilor vegetale.

Tehnica de amprentare a SNIF RMN-ului s-a extins și la miere în cadrul ICSI – „o fermentăm și obținem o amprentă caracteristică din care reiese dacă mierea e din salcâm sau altă sursă, polifloră etc”. În cazul mierii de albine, chimiștii și fizicienii institutului ICSI pot depista cu ajutorul amprentării izotopice prin spectrometrie de masă IRMS (Isotope Ratio Mass Spectrometry), prin determinarea carbonului 13 din miere și proteina extrasă din miere, adaosurile nepermise de sirop de porumb, sirop ce are o consistență apropiată de cea a mierii.

Și oțetul poate fi autentificat. Se extrage acidul acetic și se determină carbonul 13 prin IRMS (serviciu de analiză acreditat RENAR), precum și spectrul de deuteriu al acestuia – cu amprentă specifică din plante, din rumeguș sau de sinteză. Tot așa, și din molecula alcoolului poate fi determinat specific conținutul de deuteriu.

Producătorii de țuică apelează adesea la serviciile institutului, pentru că vor să afle dacă au metale grele în băutura lor, în funcție de cazanul pe care l-au folosit pentru distilare. Iar pentru a dovedi că țuica este făcută doar din prună, se face și amprentarea izotopică (carbon 13 și distribuția deuteriului în molecula etanolului).

În cazul tabacului, tehnica SNIF RMN poate verifica daca acesta are nicotină sintetică sau naturală și arome sintetice sau naturale. Operațiunea se poate extinde, teoretic, pe orice moleculă, momentan la institut probându-se 45 de tipuri diferite de molecule.

În laboratorul de gaz cromatografie al ICSI se identifică compuși organici prin amestecuri gazoase. Laboratorul dispune de detectoare și spectrometre de masă care pot identifica orice compus depistează într-o probă necunoscută – fie aliment, obiect, petrol, orice matrice. Se stabilesc etaloanele și în funcție de ele se execută măsurătorile. Prin gaz-cromatografie se analizează compușii volatili care au punct de fierbere până la 250 de grade.

S-au făcut în acest laborator și analize de picturi: o măicuță studentă la master la București a folosit diferite tehnici de tratare a unor picturi vechi și a vrut să vadă care dintre acele tehnici dăunează cel mai mult compușilor din pictură. S-au făcut analize diferite și s-a descoperit tehnica optimă. De asemenea, s-au analizat aici petrol și alte zăcăminte, compuși izotopici de la C-1 până la C-20.

În laboratorul de cromatografie lichidă se analizează probe de mediu, pentru determinarea unor contaminanți toxici pentru organismul uman – în special hidrocarburi aromatice policiclice, dintre care naftalina este cel mai simplu exemplu. Dar aici se analizează și alimente, precum extracte naturale de plante și fructe, în vederea stabilirii compoziției lor autentice, dar și pentru determinarea unor contaminanți din aceste produse, sau adulterarea peste limita maximă admisă cu anumiți conservanți, îndulcitori, coloranți sintetici, al căror adaos nu trebuie să depășească o anumită valoare reglementată.

În vinuri, spre exemplu, este total interzisă folosirea de coloranți și îndulcitori sintetici. Se analizează aici și capacitatea antioxidantă a diferitelor produse alimentare dată în mod direct de produșii naturali existenți în constituția lor.

Laboratorul datează din 2008 și este într-o continuă dezvoltare. În prezent, se încearcă aici dezvoltarea de metode instrumentale de analiză pentru punerea în evidență a noilor alimente funcționale, bazate pe cuplarea unor produse alimentare, în ideea de a scoate pe piață un fel de „super-produs” care oferă proprietăți sporite.

 

Tot în cadrul ICSI am avut plăcerea de a vizita și Centrul Național pentru Hidrogen și Pile de Combustie. Specialiștii de aici și-au axat cercetările și tematica de dezvoltare pe trei direcții principale.

În primul rând, s-au concentrat pe studiul materialelor care intră în compoziția pilei de combustie. La ora actuală, pila e nejustificat de scumpă. Există undeva în construcția ei un pic de platină, dar cantitatea este atât de mică încât nu justifică nici pe departe prețul. Patentul membranei schimbătoare de protoni din compoziția pilei este proprietatea firmei DuPont, care a inventat-o, o produce pe scară largă și îi stabilește prețul, având monopol.

La ICSI se studiază deficiențele pilei – costurile mari și toleranța foarte scăzută la otrăvuri: monoxidul de carbon, NOX, SOX – poluările din mediul ambiant afectează funcționarea pilei de combustie. Pentru a deveni fiabile, trebuie ca aceste pile să aibă un preț redus și toleranță mai mare, ambele posibile printr-o membrană schimbătoare de protoni mai bună și mai ieftină.

La ora actuală, centrul construiește un ansamblu de pile de combustie cu aplicabilitate mai mult didactică – adică se duc spre universități și laboratoare din țară, pentru ca studenții să le studieze – dar se dorește realizarea unei alternative mai viabile la membrana de protoni DuPont.

A doua linie de dezvoltare a centrului este partea de știință fundamentală – modelare matematică și simulare. Pila de combustibil nu funcționează singură, ci alături de multe aparate care trebuie să îi asigure la fix funcționarea – aici apare problema optimizării. Este deci necesar un ansamblu care să facă posibilă obținerea unei puteri cât mai mari pentru un consum de hidrogen cât mai redus. Pentru că, deși hidrogenul se obține ușor, nu este foarte ieftin de produs.

Și astfel ajungem și la a treia ramură a centrului – producția de hidrogen. S-a mers pe două tendințe – cea clasică, prin reformarea catalitică a hidrocarburilor (gaz metan) – așa se obține 80% din producția de hidrogen în lume – și electroliza, care este scumpă. Institutul dispune de electrolizoare cu membrană P, care ridică foarte mult eficiența, dar a căror folosire este costisitoare.

Ca aplicații, există două direcții principale. În cazul uneia, se unesc o turbină eoliană și panouri fotovoltaice, iar surplusul de energie pe care acest ansamblu îl produce este stocat în niște mini-centrale – baterii pe bază de hidrogen. Ulterior, hidrogenul trece prin pila de combustibil și generează curent.

Această unitate de stocare construită de inginerii de la ICSI poate fi independentă și folosită, spre exemplu, în cazul unei case de vacanță aflată într-o zonă fără racord electric, dar branșată la gaz metan, din care se va obține, prin reformare, hidrogen și deci curent electric. Vorbim despre o formă de autonomie energetică.

O altă aplicație, și ea interesantă, vizează sfera auto și constă în direcționarea căldurii de la țeava de eșapament a vehiculului către un schimbător în care se află un lichid organic, care se vaporizează, învârtind o turbină și un generator. Generatorul dă curent electric, care se duce la electrolizor și hidrogenul astfel obținut intră în galeria de admisie.

Se realizează astfel o economie de combustibil de 10%, care pentru un vehicul nu înseamnă mult, dar pentru un parc de 1.000, se adună. Am avut chiar plăcerea să fiu plimbat pe o distanță de câteva sute de metri cu un vehicul complet transformat de ICSI într-o mașinărie electrică, având o caroserie de Nissan SW, o pilă de combustie de 12 kW și baterii litiu-ion de 650 de volți. Mașina funcționează doar pe bază de hidrogen, accelerează extrem de rapid și este silențioasă ca o bicicletă, dar și foarte ușor de condus, având o cutie de viteze automată, cu trei faze: față, neutru, marșarier.

Domnul Ioan Ștefănescu, director general al ICSI Rm. Vâlcea, ne-a mărturisit că face adesea drumuri prin țară cu acest autoturism, pe care institutul l-a înregistrat și omologat la RAR, fiindu-i permis să circule pe drumurile publice. Autonomia Nissan-ului modificat de la ICSI este de circa 200 km, o performanță atinsă de multe mașini electrice din zilele noastre, dar miza – la care aspiră și inginerii din Râmnicu Vâlcea – este obținerea unei autonomii de peste o mie de km cu o mașină electrică – baremul pe care se luptă toată lumea să îl atingă în prezent.

Am aflat de la domnul Ioan Ștefănescu că institutul are în derulare și în plan multe proiecte ambițioase cu firme europene. Dispun, spre exemplu, de un reactor pe partea de farmacologie, unde se fac izotopi utilizați în industria medicamentului. Laboratorul de criogenie este și el extrem de important – chiar recent ICSI a livrat circa 500 litri de heliu lichid către Cluj, cu a cărui Universitate Tehnică lucrează foarte bine.

Cu ei avem doctorate, le și predau un curs de masterat și am introdus la Facultatea de Instalații zona de hidrogeni și pile de combustibil, ca să-i învăț pe cei din instalații despre o alternativă a utilizării hidrogenului ca sursă de energie, ceea ce a prins foarte bine. Am deja vreo 5 ani acolo

Ne-a dezvăluit câte ceva și despre programul ROMEST – un laborator unic în zona Europei pentru stocarea energiei, unde au de gând să stocheze energia în două generații de baterii. Nu se știe încă dacă acestea vor fi pe bază de cadmiu-nichel, sau un alt electrolit, sau dacă vor stoca energia în hidrogen sau în alte forme-mixturi – dar vor dezvolta anumite cercetări pe baza unei idei pe care lumea a abandonat-o – o producție de energie folosind concentratoare solare cuplate cu motor Stirling.

În noiembrie trebuie să fie gata proiectul. „Am găsit foarte greu un motor Stirling, printr-un intermediar într-o zonă europeană, care ni-l va expedia. E o parabolă de patru metri diametru și el e în mijloc și trebuie găsit un plasament pe pământ – are 4 tone toată masa concentratorului – încât să aibă cât mai multe zile cu soare, ca să poată produce energie, după care montăm echipamente specifice testărilor”.

Centrul de Hidrogen și Pile de Combustibil este o instalație de interes național și de aceea capătă finanțare. El este introdus într-un listing special, din care fac parte structuri europene care sunt mari facilități de cercetare cu transparență și cu posibilitate de acces.

Noi am dat drumul la niște lucruri foarte sensibile legate de utilizarea hidrogenului în transport. Se poate ajunge ca hidrogenul să devină alternativă în motoarele Diesel. Am lucrat deja un patent și pot fi toate track-urile alimentate cu hidrogen care se poate autoproduce – o chestiune foarte interesantă care poate ajunge la nivel de kit. Așa cum s-a introdus GPL-ul de pe vremea lui Ceaușescu. Loc e, dar trebuie adus la un nivel de fiabilitate și de simplitate

Aici, domnul Ștefănescu a încercat să spună că ar putea apărea în câțiva ani stații de alimentare cu hidrogen, așa cum sunt cele cu gaz GPL de acum, ceea ce ar fi un progres extraordinar. Potrivit domnului Ștefănescu, ICSI se va implica serios și în tehnologia bateriilor din viitoarele generații, deoarece Japonia construiește în prezent pentru institut un instrument special care va asigura întâietate în această zonă geografică în ce privește testarea bateriilor.

Prin urmare, cam oricine din Europa va crea noi tipuri de baterii – care se anunță să aibă autonomie extinsă – va ajunge cel mai probabil să le testeze (și) în România la Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Tehnologii Criogenice și Izotopice. Pentru noi toți, un lucru este sigur, și anume că ICSI pune România pe hartă.