Когда искусственный фотосинтез заменит нефть и газ
Специалисты Всемирного энергетического совета считают, что мир близок к кризису в области энергетики. Причем речь идет о катастрофических изменениях уже при жизни нынешних поколений. Учитывая растущие объемы потребления, доступных запасов нефти и газа осталось не так уж много. Поэтому ученые пытаются найти альтернативы этим ресурсам, возлагая большие ожидания на саму природу. В частности, уже много лет разрабатываются технологии искусственного фотосинтеза, которые обещают перевести человечество от ископаемого топлива к экологически чистому водороду.
Причем такие технологии навсегда решили бы не только энергетическую, но и экологическую проблему. Ученые сходятся во мнении, что сжигание ископаемого топлива - главная причина повышения содержания диоксида углерода в атмосфере. Сейчас содержание его на планете превышает условный допустимый уровень. Приборы, установленные около гавайского вулкана Мауна-Лоа, показали 400 долей этого газа на миллион. Точно такое же содержание углекислого газа было характерно для эпохи плиоцена - 5,5-2,5 миллиона лет назад. Дальнейшее повышение уровня углекислого газа до 450 долей на миллион может привести к настоящему экологическому коллапсу, таянию ледников и запуску неконтролируемой цепной климатической реакции.
Ученые со всего мира пытаются создать установки, осуществляющие искусственный фотосинтез: аппараты, преобразующие свет солнца в кислород и водород по природным "технологиям". До недавних пор все предложенные системы были слишком сложны и дороги, однако последние разработки в сфере искусственного фотосинтеза обещают появление принципиально новых, предельно "чистых" и дешевых источников энергии.
Обычный естественный фотосинтез используется растениями для преобразования энергии солнечного света, воды и углекислого газа в углеводы и другие органические соединения. В глобальных масштабах этот естественный процесс поглощает около 130 тераватт-часов солнечной энергии для того, чтобы произвести до 115 миллиардов метрических тонн биомассы ежегодно. И если ученым удастся воспроизвести этот процесс, потребность в ископаемых ресурсах существенно снизится.
Для того, чтобы эксплуатация установки искусственного фотосинтеза была экономически выгодной, у нее должен быть определенный уровень КПД.
По оценке немецкого физика из Технического университета Ильменау Томаса Ханнаппеля, световые генераторы водорода станут более выгодными для производителей топлива и его потребителей, чем ископаемые источники энергии, если им удастся достичь отметки в 15% КПД, что соответствует цене одного килограмма водорода в $4.
Рекорды эффективности получения водорода за счет солнечной энергии за последний год существенно повысились, чему способствовало усовершенствование технологий и разработка новых видов катализаторов. Так, недавно исследователи из австралийского университета Монаша объявили о создании нового устройства на солнечной энергии, которое вырабатывает водород с эффективностью 22%. Это на сегодня рекордный КПД, при том, что еще в декабре прошлого года наилучший показатель эффективности искусственного фотосинтеза составлял 12.3%.
Австралийские исследователи добились таких впечатляющих результатов благодаря использованию сложного каталитического материала - сплава фосфида галлия-индия, арсенида галлия и германия, которые широко используются для преобразования солнечной энергии в электрическую. Кроме того, ученые применили новые электроды из никелевой "пены", обеспечивающей эффективную площадь электрода, на котором и происходит процесс фотоэлектролиза воды. В качестве электролита используется раствор, содержащий в строго определенных пропорциях фосфат натрия и поваренную соль. Сейчас эта технология проверяется на практике и оценивается ее перспективность для массового применения
Тем временем немецкие физики из Технического университета Ильменау представили на днях свой вариант искусственного фотосинтеза, правда их результаты куда скромнее, чем у австралийских коллег - всего 14%, хотя ученые из Германии планируют в ближайшее время достигнуть 17%. Немецкие разработчики использовали своеобразный сэндвич из почти десяти слоев полупроводниковых материалов, алюминия, фосфора и специального катализатора на основе редкоземельного металла родия. Такая система почти не разрушается при работе и способна функционировать около 40 часов без заметного снижения количества вырабатываемого водорода.
Но действительно революционную методику предложила объединенная команда ученых из нескольких научных лабораторий: Медицинского института Говарда Хьюза, Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, Института нанотехнологий и энергетики Кавли, а также Калифорнийского университета в Беркли. Исследователи разработали бактериальную технологию искусственного гибридного фотосинтеза, при помощи которой свет преобразует атмосферный углекислый газ в определенные органические соединения для дальнейшего получения различных видов пластмасс, фармацевтических препаратов и топлива. Причем для этого системе, кроме солнечного света, не требуется никакой дополнительной энергии из внешних источников.
Новая методика основана на использовании фотоэлектрического полупроводникового преобразователя с высоким коэффициентом преобразования на основе тончайших кремниевых полупроводников. Вырабатываемая им энергия "кормит" анаэробные бактерии вида Sporomusa ovata, которые с эффективностью около 90% начинают превращать растворенный в воде кислород и углекислый газ в ацетат. Другие бактерии, генетически модифицированные Escherichia coli, перерабатывают уксусную кислоту и ацетаты в более сложные органические соединения для дальнейшего производства n-бутанола, полимеров PHB и других сложных органических веществ, входящих в состав большого количества изделий, начиная от лаков и красок, и заканчивая антибиотиками.
Ученые считают, что именно за такими биологическими системами будущее искусственного фотосинтеза. Ведь симбиоз твердых полупроводниковых элементов с системами на основе живых организмов - прямой путь к созданию полностью программируемых установок биологического синтеза для получения любых органических веществ, включая топливо нового поколения.
