Vítejte v době dřevěné

Vývoj lidské civilizace lze hodnotit zhruba podle toho, jaký materiál lidé převážně používali. Takže zde byla doba kamenná, bronzová, železná. Dnes žijeme v době uhlíkové, založené na uhlí, ropě a zemním plynu. Tyto materiály poskytují energii a umožňují výrobu materiálů, které charakterizují naši civilizaci - ocel, beton, plasty. Aby se zabránilo zanesení planety plastovým odpadem a oxidem uhličitým, bude nutno v brzké době přestat uhlovodíky používat. Doba kamenná také neskončila proto, že by došlo kamení.

Abychom se dostali do bodu nezávislosti na uhlovodících přetrvávajících na Zemi z minulosti, bude třeba vytvořit cirkulační ekonomiku, vybudovanou na obnovovatelných materiálech, jako je například dřevo. Dřevo je již dlouho součástí materiálového mixu a používá se v budovách, k výrobě nástrojů i k energetickým účelům. V nepříliš vzdálené budoucnosti se ale dřevo zřejmě stane dominantním materiálem. Vše, co se dnes vyrábí z fosilních materiálů, může být v budoucnu ze dřeva. Mrakodrapy, auta, letadla i baterie - to vše bude možno vyrábět ze dřeva.

Nebude to ale dřevo, jaké známe dnes

Surové dřevo má známé užitečné vlastnosti: je pevné, většinou lehké a pružné. Má také ale i vážné nedostatky, a proto bylo nahrazeno jinými materiály. Například hoří, láme se a hnije. Nevýhody mají ale i všechny jiné materiály. Surová ropa, železná ruda a základní složky betonu jsou samy o sobě k ničemu, pokud se nepodrobí zpracování. Totéž platí i o dřevě. Nejdříve se ale musíme dobře připravit na to, jak dřevo sofistikovaně zpracovávat. Až se to podaří rozlousknout, vstoupí svět do doby dřevěné.

První oblastí, kde dřevo nahradí neudržitelné materiály, bude patrně stavebnictví

Již dlouho se dřevo používá jako konstrukční materiál, ale jeho nevýhody způsobily, že nové budovy se dnes stavějí většinou z oceli a betonu. Tyto materiály jsou vynikající pro výstavbu, ale jsou nevýhodné z ekologického hlediska, neboť při jejich výrobě vznikají emise CO₂. (U oceli to činí asi 3 % a u betonu asi 5 % z globálních emisí). Východisko se hledá ve snížení spotřeby těchto materiálů, což se dnes již začíná uskutečňovat díky používání dřevěných materiálů na bázi tzv. křížově laminovaného dřeva CLT (cross-laminated timber). Toto dřevo se vyrábí lepením tenkých vrstev dřeva dohromady. Obvykle se používá dřevo z norských smrkových nebo dubových stromů. Vyrábějí se velké velmi tenké rovné desky. Na rozdíl od surového dřeva má dřevo CLT díky speciálnímu způsobu ukládání tenkých desek na sebe předpověditelné a spolehlivé vlastnosti: takové dřevo má ocelovou pevnost, dlouhou životnost a protipožární odolnost. Dřevo CLT bylo vynalezeno v 90. letech, ale největší popularitu získalo v rámci závodů o výstavbu nejvyššího dřevěného mrakodrapu. V současné době vede osmnáctipatrový věžový dům ve Vancouveru, který byl dokončen v roce 2017. V roce 2019 bude překonán budovou v norském Brumunddale a na rýsovacích prknech je dnes osmdesátiposchoďový, 300 metrů vysoký věžový dům v londýnském centru Barbican. Praktický zájem se ale soustřeďuje hlavně na středně vysoké budovy, protože ty mohou být postaveny v krátké době z prefabrikovaných dílů, vyrobených mimo staveniště. I když jsou budovy z CLT dřeva o něco dražší než ocelové a betonové, je jejich výstavba rychlejší. Spolu s růstem měst poroste i výstavba dřevěných domů. Do roku 2030 bude třeba ještě vybudovat 65 % městské zástavby. CLT dřevo sice nemůže zcela odstranit staré materiály, ale sníží jejich spotřebu asi o 80 %. Například beton se bude stále používat k výstavbě základů budov. Bude ho ale zapotřebí méně, protože dřevěné stavby jsou mnohem lehčí než ocelové a betonové.

Dřevo by mohlo nahradit i sklo

Před několika lety švédští vědci vynalezli metodu, jak extrahovat ze dřeva pigmenty. Výsledkem byl transparentní materiál, který se může využít jako sklo, ale s lepšími izolačními schopnostmi. Je to opět malý krok k bezuhlíkové budoucnosti. Malý, protože bude nutno ještě učinit mnohé, aby se snížila uhlíková stopa samotného CLT dřeva. Surové dřevo se totiž musí sušit, a to se děje převážně s využitím fosilních paliv, přičemž tento proces spotřebuje asi 90 % veškeré energie potřebné k výrobě CLT. Uhlíkovou stopu se podaří zneutralizovat tehdy, jestliže se bude vysazovat velké množství nových stromů.

Náhrada ropy

Dřevo se také stává zdrojem surovin, které nahradí sloučeniny na bázi ropy. Dřevo je složitá směs organických chemikálií. Asi 40 % tvoří nanocelulóza, což jsou velmi pevná vlákna s vynikajícími mechanickými vlastnostmi. Dalších 30 % je lignin, což je bohatá směs organických sloučenin ne nepodobná surové ropě. Zbytek je škrobu podobná hmota, polocelulóza. Tyto tři složky vytvářejí vlastnosti dřeva a mohou se z něho extrahovat a zpracovat na užitečné a cenné sloučeniny. Petrochemikálie představují další velký ekologický problém. Podle International Energy Agency (IEA) je jejich výroba energeticky tak náročná, jako výroba oceli a betonu dohromady. Obhájci dřeva by tyto materiály rádi nahradili stromy a výstavbou rafinérií dřeva, které by surové dřevo zpracovávaly na cenné produkty, podobně, jako je tomu u ropných rafinérií. V současné době se to děje jen v laboratorních podmínkách, ale v budoucnu by mohl vzniknout velký, udržitelný „arbochemický“ průmysl. Dnes se nanocelulóza používá k náhradě petrochemikálií například v barvách, lepidlech, kosmetice, obalech a v elektronice. Každoročně se objevuje na 5 000 vědeckých článků o aplikacích nanocelulózy. Dalším v pořadí je lignin, který je odpadním produktem po výrobě dřevité kaše a papíru. Většina tohoto odpadu se spaluje nebo používá jako přísada do betonu. Lignin je však velmi cenná chemikálie a chemické společnosti se snaží o jeho používání místo produktů z ropy. Nejnadějnějšími výrobky jsou nátěrové hmoty, lepidla a pryskyřice. Na posledním místě je polocelulóza. Tuto škrobu podobnou hmotu je obtížné zpracovávat, ale konečným cílem je to, aby nahradila plasty.

Náhrada plastů

Petrochemický průmysl nejvíce symbolizují plasty. Jsou levné, velmi rozšířené a užitečné, ale pro životní prostředí jsou pohromou. Nejvíce se dnes mluví o částečkách plastů o průměru 5 mm a menších. Od poloviny 80. let se jako náhrada plastů používají biologicky odbouratelné materiály z polylaktické kyseliny, vyráběné ze škrobu. Dosavadní výrobky ale nejsou ideální. Evropská unie přichází se zákazem jednorázových malých plastových výrobků, což je vynikající příležitost nahradit tyto plasty výrobky ze dřeva. Několik společností z nordické oblasti pracuje již na přeměně „lesů“ na plasty. Snaží se o to například finská společnost Stora Ensa, která vyvinula materiál Durasense, který se skládá ze 60 % dřeva a 40 % polypropylenu, což je směs, kterou lze využít šestinásobně. Jinou finskou firmou je Paptic, která vyvíjí materiál na bázi dřevěných vláken, který by měl nahradit plastové nákupní tašky. Další finská společnost Sulapac vyvíjí materiál, který obsahuje 88 % odpadového dřeva a 12 % vazebního materiálu z odpadu po výrobě třtinového cukru. Tuto směs lze zahřívat až na 200 stupňů Celsia a zpracovávat ji na dnes již existujících zařízeních pro výrobu plastů. Zatím se z ní vyrábějí malé nádobky pro drahou kosmetiku, ale budoucí ambice jsou mnohem širší. Tento materiál vypadá jako kříženec dřeva a keramiky a je stoprocentně biodegradovatelný.

Dřevěné baterie

Začátkem roku 2019 byla zveřejněna technologie, která přeměňuje měkké dřevo na materiál, který je pevnější a tužší než ocel a dokonce i titanové slitiny, které se používají v kosmickém inženýrství. Toto denzifikované dřevo - superdřevo - se vyrábí tak, že se chemickým způsobem odstraní asi polovina ligninu, potom se zbytek „brutálně“ stlačí za vysoké teploty. To vede ke kolapsu struktury buňky a k propojení vláken celulózy. Výsledný produkt má pětinovou tloušťku dřeva, ale je 12× pevnější a 3× trvanlivější. Má proto žádanou kombinaci pevnosti a tvrdosti. Vypadá sice jako dřevo, ale je mnohem lehčí. Když spadne na podlahu, zní jako ocel. Takový materiál se může potenciálně použít k výrobě automobilů i letadel, případně i pohyblivých částí strojů. Universita v Marylandu již vypsala grant ve výši 3,6 milionu dolarů na vývoj takových materiálů. Pracovníci této univerzity zkoumají také možnosti využití dřeva k náhradě drahých a těžkých materiálů pro zařízení na skladování energie. Vyvíjí se technologie označovaná jako dřevěná baterie.

Porézní dřevěná vlákna jsou tvořena dlouhými dutými buňkami, jejichž stěny jsou z pevného ligninu. 2 500 nanometrů silná dřevní vlákna se pokryjí 50 nanometrů tenkou vrstvičkou cínu, čímž se vytvoří odolná anoda - baterie z takového materiálu pak může být založena i na sodíkových iontech, které jsou větší než lithiové, a taková baterie je také mnohem levnější. Mohou být využité pro mobilní telefony a vozidla, kde je důležitá jejich nízká váha, i pro stacionární baterie, kde na váze nezáleží, ale kde jsou výhodou nižší náklady.

Ekonomika založená na využití dřeva?

K plnohodnotné náhradě materiálů 20. století bude muset dřevo překonat dvě překážky. Jednou z nich jsou požadavky na půdu. Bude možno vypěstovat dostatek stromů, aniž bude ohrožena produkce potravin? Nedojde k masovému odlesňování? Druhou překážkou rozvoje je zatím cena. Lignin není dosud schopný ekonomicky soutěžit s petrochemickými produkty a nanocelulóza stojí až 3 000 dolarů/kg, což je stokrát víc, než je cena Kevlaru. Objevují se ale již názory, že si nemůžeme dovolit váhat. Nelze čekat, až tyto materiály budou schopné soutěže. Z ekologických důvodů je potřeba jednat rychle a ekonomiku řešit za pochodu. Dřevo je materiál, kterého je dostatek, je biodegradovatelný a obnovitelný. Pokud bude vývoj dobře pokračovat, nahradíme dřevem plasty, sklo i ocel.

Zdroje: Graham Lawton: Welcome to the age of wood. New Scientist, 2019, č. 3221, s. 33 – 37

https://www.newscientist.com/article/dn23736-wood-is-key-ingredient-in-cheap-rechargeable-battery/