Matumizi ya Makaa ya Mawe kama chanzo cha Nishati

1. I. NISHATI NA USAFIRISHAJI I.1. Vyanzo vya Nishati Matumizi ya Makaa ya Mawe kama chanzo cha Nishati Makaa ya mawe yamechukua nafasi ya kuni kama chanzo kikuu cha nishati nchini Marekani katika miaka ya 1890. Mtambo wa kwanza wa kutumia nguvu za makaa ya mawe ulijengwa mwaka 1882, ambapo mvuke wa makaa hayo kupitia kwenye genereta uliweza kuzalisha umeme. Mnamo mwaka 1884, Charles Parsons alifanikiwa kutengeneza njia mpya na rahisi ya kuzalisha umeme kwa kutumia matitia (makinga)-mvuke yaendayo kwa kasi. Katika miaka ya 1920 makaa ya mawe yaliongeza ufanisi wa kuzalisha umeme kwa kupunguza matumizi ya hewa katika kuwaka kwake. Mwaka 1940 utaalamu uliongezeka kwa kutumia makaa ya mawe hafifu ambayo yakitoa kiwango kidogo cha jivu. Hivi karibuni matokeo ya kukua kwa teknolojia kemikali yamebadilisha uwezekano wa kupatikana kwa umeme kwa kutumia takataka kutoka katika migodi ya makaa ya mawe kwa kuzalisha umeme na kupunguza athari za kimazingira. Charles Parsons Matitia (makinga) mvuke yaliyovumbuliwa na Parsons’ (1907) Utafiti na Upatikanaji wa Petroli Mwaka 1901 ukanda wenye kiwango kikubwa cha hazina ya mafuta katika Spindletop, Texas kiligundulika, sambamba na uzinduzi wa vyombo vinavyotumia petroli na kuifanya petroli kuchukua nafasi ya makaa ya mawe kama chanzo kikuu cha nishati kuanzia miaka ya 1951. Teknolojia kemikali ya kusafisha mafuta ghafi (crude oil) na kutenganisha kemikali nyengine zitokanazo mafuta imekuwa ikiendelea zaidi kwa kuanzia na njia nyepesi ya anga-hewa kimiminika (atmospheric distillation), ombwe kimiminika (vacuum distillation) kusafisha kwa kutumia moto (thermal cracking) hadi matumizi ya vichachamshi (catalysts). Katika hatua za awali za ugunduzi wa mafuta ghafi, kemia pia imechangia katika ugunduzi wa almasi, kuchimbua matope ya mafuta, mafuta katika miamba kwa kutumia kemikali pamoja na mvuke. Hatua nyengine ni namna ya kuyapata kwa matumizi ambapo pampu zenye nguvu zinazotumia hewa kama ya ukaa (kabondioxide - carbondioxide) au maji yenye viyeyusho maalum hutumika. Nishati ya Nyuklia Mtambo wa kwanza wa nyuklia ulijengwa mwaka 1942 kwaajili ya matumizi ya kijeshi. Matumizi ya teknolojia ya nyuklia kwa njia ya amani ikiwemo kwa matumizi ya umeme yalianza mwaka 1951 wakati Rais wa Marekani wa wakati huo, Rais Eisenhower alipotoa changamoto ya matumizi ya mpango wa nguvu za atomu (atoms) kwa njia ya amani. Kemia imetoa mchango mkubwa kwa kutengeneza vifaa vya mionzi (radioactive) ambayo hutumika kama mafuta ya kuendeshea mitambo ya nyuklia, vyombo vya kudhibiti na uangalizi wa mitambo ambavyo hudhibiti mwenendo wa nyutroni kutoka katika mabaki ya vifaa vya mionzi, kufinyanga upya mabaki ya mafuta ya mitambo, udhibiti wa taka taka, uhifadhi wa mazingira na kupunguza hatari ya athari za mionzi (radiation). Vyanzo Mbadala vya Nishati Mpango wa kijani (mbadala) wa kuzalisha umeme, kama wa kutumia upepo, maji pamoja na joto maalum (geothermal) ingawa huchangia kwa asilimia moja tu ya nishati duniani lakini imetoa mchango mkubwa sana katika kuinua uchumi na kupatikana kwa nishati hiyo. Kupitia kemia paneli za umeme wa kutumia jua (solar panels) zile za upepo wa joto (thermal) na mwangaza joto (fotovoltaiki), mapangaboi (propeller) kwaajili ya kunasa upepo, zege na matitia (makinga) (turbines) kwaajili ya vituo vya kuzalishia umeme unaotumia maji, vifaa vinavyohimili na kuzuia milipuko ili kudhibiti joto maalum (geothermal) vimeimarishwa.

2. I. NISHATI NA USAFIRISHAJI I.2. Uhifadhi wa Nishati ya Umeme na Vyanzo vya Nishati inayobebeka Betri za kawaida (Single-use batteries) Vihifadhi nishati ya umeme viliboreshwa na Alessandro Volta mwishoni mwa miaka ya 1700 na kemia imechangia kwa kiasi kikubwa kuimarisha nguvu za betri. Mnamo mwaka 1890 betri za mfumo mchanganyiko wa kaboni na zinki (carbon-zinc) zilianza kutumika kuchukua nafasi ya betri za mfumo wa unyevunyevu zilizovumbuliwa na Laclanche’. Betri za mfumo mhanganyiko wa kaboni na zinki ndizo hadi sasa maarufu zinazotumika pamoja na katika kurunzi (tochi) pamoja na kamera. Mwaka 1949 betri zinazotumia alkalini (alkaline) zinazochukua muda mrefu zilianza kutumika. Betri za alkalini zimepata umaarufu zaidi na kutumika katika kamera pamoja na vifaa vyengine zinavyotumia elektroniki. Tokea wakati huo miundo mipya mbali mbali ya betri zimevumbuliwa zikiwemo zile zinazotumia mchanganyiko wa metali na oksidi (oxide) mbali mbali kama za fedha (silver oxide), zebaki (mercuric oxide) na lithiamu (lithium). Betri za kaboni-zinki (carbon-zinc) Betri za kutia chaji (Rechargeable batteries) Mnamo mwaka 1859 betri za kutia chaji zinazotumia mchanganyo wa risasi na tindikali (lead-acid) zilikuwa ni mfano wa mwanzo wa matumizi ya kemikali katika kuzalisha umeme. Matumizi hayo yaliboreshwa mnamo mwaka 1881 na hadi sasa betri za mfumo wa mchanganyo wa risasi na tindikali ndizo zinazotumika katika magari na malori makubwa. Betri za kutia chaji zinazotumia mchanganyo wa metali za nikeli-kadimiamu (nickel-cadimium) hazikuweza kutumika sana kwa kuwa zilikuwa ni ghali sana. Nyanja za maendeleo zimekuwa zikilenga zaidi katika matumizi ya lithiamu. Baada ya kuonekana kushindwa katika matumizi ya metali ya lithiamu katika miaka ya 1980, betri za metali ya lithiamu (lithium-ion) sasa zimeanza kupata soko na kuwa maarufu katika matumizi ya simu za mikononi (cellular phones) pamoja na kompyuta aina ya laptop. Betri za kutia chaji

3. I. NISHATI NA USAFIRISHAJI I.3. Vifaa vya ujenzi wa Barabara na Madaraja Zege (Concrete) Miradi mikubwa ya ujenzi wa miji nchini Marekani katika miaka 1950 ulitegemea zaidi uimara wa zege katika ujenzi wa barabara pamoja na madaraja. Kampuni ya saruji ya Portland ilianzishwa mwaka 1824 na kupatiwa hatimiliki ya kutengeneza na kuuza zege chini ya Joseph Monier mwaka 1877, kufuatia matokeo ya kemikali zinazotumika saruji inabidi kutumika zaidi katika kuziba nyufa pamoja na kazi nyengine zilizosalia. Ubora na uimara wa zege hutegemea zaidi uangalizi wa vipimo vya saruji katika zege na kuongezwa baadhi ya kemikali katika hatua za mchanganyo huo ili kupunguza kusinyaa pamoja na kuimarisha tahadhari ya milipuko. Lami (Asphalt) Lami ni maarufu katika matengenezo ya barabara hasa kutokana na unafuu wa gharama zake. Lami asilia iligunduliwa mwaka 1595, lakini haikuwa ile ya kuchanganywa na mawe na imeanza kutumika katika matumizi ya ujenzi wa barabara katika mwaka 1902. Bitumeni (Bitumen), lami ngumu ama tepe-tepe itokanayo na mabaki ya mafuta yaliyosafishwa, imechukua nafasi ya lami ya asilia katika utengenezaji wa barabara. Kwa kuongeza ubora na ufanisi,lami hiyo imeongezewa kemikali za mnaso (mnato) zaidi. Supa-pave (Superior Performing Asphalt Pavements) ndio utaalamu wa kisasa zaidi ambapo lami huweza kutumika kwa kupitishia magari mazito zaidi pamoja na kutoathirika kwa hali tofauti za hewa. Metali na Alloi (Metals and alloys) Chuma ndio msingi mkuu katika ujenzi wa madaraja kutokana na uzito wake mwepesi, uimara, uwezo wa kudumu kwake kwa muda mrefu, urahisi katika matumizi ya matengenezo na ujenzi pamoja na uwezo wake wa kuhimili majanga asilia yakiwmo ya tetemeko la ardhi. Mfumo imara mpya wa chuma cha pua ulianza kutumika katika miaka ya 1990, ni imara pamoja na uwezo wake wa kuhimili milipuko. Teknolojia nyengine ya kuhifadhi chuma katika ujenzi wa madaraja ni kupaka rangi ya metali (metalizing) ambapo aluminiamu (aluminium) au zinki (zinc) hupuliziwa katika chuma na kutoa uimara zaidi wa kudumu hadi miaka 30 bila ya kuathirika. Utaalamu katika ujenzi na matengenezo ya barabara (Maintenance and repair techniques) Barabara, ikiwa moja kati ya miundombinu muhimu lazimazitengenezwe kwa uangalifu, uimara na kuweza kuhimili hali zote za hewa. Ubunifu wa kisasa katika ujenzi na uhifadhi bora wa barabara na vitendea kazi katika ujenzi huo huchukua muda mrefu kabla ya kufikiria kuzifanyia matengenezo ama kuzijenga upya barabara hizo. Zege imara, lami na chuma ni muhimu katika kutoa umri mrefu wa barabara. Kemikali pamoja na zile kemikali za jamii ya nailoni (polymeric) husaidia zaidi kuigandisha na kuiimarisha lami hasa katika barabara zinazotumia lami. Kwa mfano kemikali za jamii ya styrene-butadine-styrene huimarisha barabara kwa kuzuia kuchimbika na kupasuka.

4. I. NISHATI NA USAFIRISHAJI I.4. Mafuta ya jamii ya Petroli Upatikanaji wa petroli kutoka katika mafuta ghafi (Production of gasoline from crude oil) Kurahisisha upatikanaji wa petroli kutoka katika mafuta yasiyosafishwa (ghafi), wachimbaji walitumia joto maalum (thermal cracking) kuondosha baadhi ya molekyuli (molecule) zisizohitajika zilizokuwemo katika mafuta hayo ili kuweza kupatikana petroli safi, njia hii ya kutumia joto (thermal) ilianza mwaka 1913. Matumizi ya joto kali yalibainisha kupatikana zaidi kwa vitu visivyohitajika katika mafuta, njia ya kutumia mvuke (vacuum distillation) ambayo hutumia kiwango kidogo cha joto ilianza kutumika mwaka 1928. Matumizi ya vichachamshi (catalytic cracking) badala ya joto kali ilivumbuliwa na Eugene Houdry mwaka 1936 na kuanza kutumika kibiashara mwaka 1937 na kwa kasi kubadilisha kabisa mfumo wa usafishaji wa petroli. Usafishaji mafuta Viongezo katika mafuta (Fuel additives) Mashine ya kwanza ya gari ilishindwa kufanya kazi kutokana na kutumika kwa mafuta yenye ubora dhaifu. Katika mwaka 1921 petroli iliongezewa madini ya risasi (tetraethyl lead) ili kuweza kuifanya injini kuweza kutembea vizuri na kwa ukimya kabisa. Mnamo mwaka 1926 kipimo cha oktani (octane) kilianishwa ili kupima ubora wa petroli. Matumizi ya kiongezo cha risasi (lead additives) kilipigwa marufuku katika miaka ya 1970 kutokana na athari za kimazingira. Hivi sasa kiwango kidogo tu cha kemikali za jamii ya kilevi (alcohol) huongezwa katika petroli ili kuwezesha kipimo cha oktani, kuboresha utendaji kazi wa petroli, kupunguza misuguano katika injini pamoja na kuipa injini muda mrefu wa kutumika. Baadhi ya viongezo kemikali katika mafuta vimekuwa vikitumika katika maeneo maalum tu, methanoli (methanol) imekuwa ikitumika ili kuzuia kuganda kwa mafuta. Vichachamshaji (Catalytic converters) Hatua mbili kuu za vichachamshaji vilianzishwa mwaka 1975 ili kudhibiti hewa ya ukaa (kabondi-oksaide - carbondioxide) na hairdo-kaboni (hydrocarbon). Hivi karibuni hatua nyengine kuu inatarajiwa kuanza ya kusafisha nitrojeni oksidi (nitrogen oxide) katika katika eksozi (exhaust). Kazi kubwa ya vichachamshaji ni kusababisha mabadiliko ya matokeo ya kemikali kutokea katika metali (metals), hasa vichachamshaji vya platinamu (platinum). Nitrojeni oksidi (nitrogen oxide) hubadilishwa na kuwa nitrojeni (nitrogen) na oksijeni (oxygen). Kabonimonokside (carbonmonoxide) hubadilishwa na kuwa kabondiokside), wakati haidrokaboni zisizoungua hubadilishwa kuwa maji (water) na hewa ya ukaa (kabondiokside - carbondioxide). Hatua 3 kuu za vichachamshaji

5. I. NISHATI NA USAFIRISHAJI I.5. Vifaa vya Magari Matengenezo ya vifaa vya kisasa, salama na vyenye kuridhisha Vifaa vingi vya magari katika karne ya 21 vimefanana kidogo na vile vya asilia kwaajili ya usalama na kuridhisha abiria. Matumizi ya taa za mbele yameruhusu kupatikana kwa mwangaza wa kutosha hasa wakati wa usiku. Milipuko imedhibitiwa kwa kiasi kikubwa kwa kuwekwa utandu (coatings) maalum. Kemikali hupozwa bila ya kuathiri mazingira. Matumizi ya vioo maalum yalianza kutumika mwaka 1914. Hivi sasa vioo maalum vyenye kupunguza uzito na kelele kutoka nje, kujikinga na mionzi pamoja na nuru kali (ultraviolent radiation) vimegunduliwa. Vifaa vya kiusalama ikiwemo mikanda ya abiria iliyoanza kutumika katika miaka ya 1960 pamoja na mifuko maalum ya hewa (air bags) iliyoanza kutumika mwaka 1996. Vifaa vya plastiki (Plastic components) Kupunguzwa kwa uzito wa vifaa vya magari kutoka metali hadi plastiki kumekuwa kwa mafanikio makubwa kutokana na matumizi sahihi ya kemikali. Baada ya vita vikuu vya pili ya dunia, viwanda vya magari vilianza kutengeneza vifaa vizito vyenye mchanganyo wa petroli kwaajili ya uimara, ubora pamoja na kutodhurika kwa hali za hewa tofauti. Baada ya uhaba mkubwa wa nishati katika miaka ya 1970, vifaa vyepesi vilivumbuliwa ili kutoa nafasi zaidi ya udhibiti wa mafuta. Aina mbali mbali za vifaa hivyo vikiwemo vile vya kutengenezea sura za magari, mabampa (bumpers), mikanda maalum ya plastiki na yenye kuhimili mionzi mikali (polypropylene fibres), rangi maalum, utandu au ugamba (coating) na gundi (adhesive). Mikanda maalumu ya plastiki yenye kuhimili mionzi (Polypropilene fibers) Teknolojia ya kutengeneza matairi (mipira) Mpira ulivumbuliwa katika miaka ya 1800 lakini ulishindwa kutumika ipasavyo kutokana na ama wepesi au urahisi wa kuvunjika kwake kutokana na hali ya hewa ya joto au baridi. Hadi mwaka 1839, mvumbuzi wa Marekani Charles Goodyear alipogundua mpango wa kugandisha (vulcanization) mpira kwa kutumia salfa (sulphur). Ili kuweza kupata matokeo bora zaidi kemikali mbali mbali pia hutumika kuweza kudhibiti hali hiyo. Kuanzia mwaka 1945 mpira ulianza kutumika kibiashara. Wakati matumizi ya maringi ya mipira (tire) yakiongezeka, teknolojia ya utengeneaji wake nayo pia imeimarika kwa kutengeneza mipira ya ndani badala ya ile ya kawaida iliyozoeleka, kuimarisha kwa kutumia mshipi (synthetic fabric cord) maalum pamoja na kutumia kemikali na vifaa mbali mbali ili kuzuia kuteleza.

6. I. NISHATI NA USAFIRISHAJI I.6. Mwendo-anga Puto linalotumia hewa ya moto (Hot-air balloons) Kuanzia mwaka 1783, wakati binaadamu alipoweza kuruka angani kwa kutumia puto linalotumia hewa ya moto, uvumbuzi na ubunifu wa maputo yanayotumia hewa ya moto umeongezeka. Hairdojeni (hydrogen) imechukua nafasi ya hewa ya moto ambayo ni rahisi kuweza kuidhibiti. Maputo yanayotumia hewa ya moto sasa umekuwa ni mchezo maarufu sana mbapo hadi sasa kuna zaidi ya marubani wa maputo yanayotumia hewa ya moto wapatao 5000 nchini Marekani. Kemia imechangia zaidi katika kuboresha, kupunguza gharama zake, unafuu wa kutoweza kushika moto na teknolojia ya propeni (propane) kama injini ya kuendeshea. Hiliamu (Helium) Ijapokuwa puto linalotumia haidrojeni huweza kuleta maafa kama vile Hindenburg (1937), yamekuwa yakihofiwa kiusalama hasa kutokana na maafa hayo yaliyotokea kwa kutumia kwake haidrojeni kama kiendesho cha puto hilo. Mnamo mwaka 1905 wanakemia wawili waligundua kiasi kikubwa cha hiliamu (helium) asilia katika kisima cha gesi cha Kansas, Marekani. Wakati wa vita vya kwanza vya dunia teknolojia kemikali ya uchimbaji, uhifadhi na usafirishaji wa kiwango kikubwa pamoja na maputo yaliyotumika kuzuia maadui katika mapambano kwenye vita vikuu vya pili vya dunia. Mnamo mwaka 1950 hiliamu ilitumika kwenye weldingi (welding) wakati wa kutengeneza roketi (rockets) na kama kichocheo cha kusukumia mafuta katika injini za roketi hizo. Maafa ya Hindenburg (1937) Mafuta ya Roketi (Rocket fuels) Majaribio ya mwanzo ya makombora yalianza katika miaka ya 1920, hadi kutumia satilaiti (satellite) na matumizi ya vyombo vya anga za juu (space shuttle), uwezo wa mwanaadamu kutumia anga za juu ni mafanikio makubwa ya kiuhandisi. Mafanikio makubwa ya vyombo vya angani yametegemea zaidi mwendo-kasi (thrust-velocity) ili kuepuka nguvu za mvuto-chini (gravitional force) wa dunia. Roketi ya kwanza ilizunduliwa mwaka 1926 ikitumia mafuta maji ya petroli (liquid fuel of gasoline) na hewa maji ya oksijeni oksidisha (liquid oxygen oxidizer). Aina tofauti za mafuta na oksidisha zimetumika zikiwa katika mfumo wa ugumu (solid) au kimiminika (maji maji) (liquid). Roketi za angani (space shuttle) zimekuwa zikitumia haidrojeni-maji (liquid hydrogen) kama mafuta, lakini kuzinduliwa kwa injini inayotumia mafuta ya mfumo wa ugumu (solid fuel) ya mchanganyo wa aluminiamu (aluminium) na ammonia (ammonium perchlorate) kama oksidisha. Vifaa va kutengenezea Ndege na Roketi (Construction materials for aircraft and rockets) Utengenezaji wa ndege kutoka mbao na vitambaa hadi vifaa tete vya injini, teknolojia ya kemikali imevumbua vifaa kadhaa vinavyohitajika na vyenye kiwango cha uhakika. Metali aloi (metal alloys) zenye kutumia aluminiamu (aluminium) na titaniamu (titanium) zimetumika katika kutengeneza vifaa imara, vyepesi, vyenye kudhibiti joto kali na vyenye kuhimili milipuko. Roketi hutumia vifaa maalum kutokana na hali yake na jinsi ya vinavyotumika. Mfano hai ni kutengenezwa kwa kigae maalum ambayo huikinga roketi kutokana na joto kali wakati ikiwa katika safari zake angani iliyogunduliwa katika miaka ya 1980. Baada ya majaribio ya muda mrefu kwa kutumia metali ya zirkoniamu (zirconium), hatimaye kigae hicho kimeweza kutengenezwa kwa kutumia nyuzinyuzi za silika (silica fibres) kutokana na mchanga.