Эффективнее растений
Ученые многое заимствуют из природы. Среди новейших достижений науки — искусственный фотосинтез. Одним из первых о нем заговорил Билл Гейтс. Он сказал, что для решения энергетических проблем человечество должно делать то, что делает фотосинтез. И добавил: «Когда-нибудь мы сможем сделать этот процесс еще более эффективным, чем растения». Сегодня эта мечта уже сбылась.
Фотосинтез ради воздуха
Согласно последним данным ООН, от 6 до 7 млн человек ежегодно погибают из-за загрязненного воздуха. Над многими городами мира постоянно стоит смог. Мелкие твердые частицы, содержащиеся в воздухе, вызывают сердечно-сосудистые и респираторные заболевания. Это одна из причин, почему ученые в последние годы активно работают над искусственным фотосинтезом. И у них уже есть несколько решений.
Молодой британский ученый Джулиан Мелькиорри уже несколько лет экспериментирует с фотосинтезом, изготавливая искусственные листья и покрытия, которые могут улучшать городской воздух. Правда, совсем обойтись без помощи природы пока не удается.
Пять лет назад ученый продемонстрировал искусственный лист, изготовленный из белка шелка и хлоропластов-органелл. Растительные клетки размещаются в специальной паутине, выделенной из настоящих шелковых волокон, и превращают углекислый газ в кислород. В отличие от обычного листа, созданный материал не требует почвы, питания или особого ухода, поэтому может использоваться даже в космосе, генерируя свежий воздух на космической станции. Правда, для успешного фотосинтеза шелковому листу Мелькиорри все же требуется вода и свет.
Поглощая углекислый газ (CO2) и воду он за счет солнечной энергии производит кислород и глюкозу, как и обычные растения. Ученый утверждает, что ему удалось повысить эффективность этого процесса на 49%. Один из его проектов — бионическая люстра, которая за счет фотосинтеза микроводорослей обновляет воздух в помещении.
В апреле этого года начал работу экологический стартап Arborea, который воплощает в жизнь лабораторные разработки Мелькиорри — технологии BioSolar Leaf. Эксперимент проходит в лондонском кампусе Имперского колледжа, точнее, на его крыше. Система биосолярных листьев — это своего рода солнечные панели, которые могут поворачиваться за источником света. Они засажены фитопланктоном и микроводорослями и могут быть установлены на земле, зданиях, в помещениях — везде, где требуется улучшить качество воздуха. Основатели стартапа сообщают, что один акр (4047 м²) такой поверхности равноценен 100 акрам деревьев (404 686 м²) в плане очистки воздуха.
Интересно, что, кроме воздухоочистительной функции, у системы Arborea есть дополнительная: продуктом фотосинтеза также является органический белок, который разработчики используют для создания растительных пищевых продуктов.
«Наш пилотный проект будет производить экологически чистые пищевые добавки, одновременно очищая воздух, выделяя кислород и удаляя углекислый газ из окружающей среды. Это предоставит возможность в полной мере использовать преимущества BioSolar Leaf от Arborea в реальных условиях эксплуатации и поможет раскрыть весь потенциал технологии», — заявляет Мелькиорри, который также является генеральным директором Arborea. Он надеется, что его система распространится по миру и изменит экологию городов в лучшую сторону.
Конечно, это не единственная разработка в этой области. Например, три года назад ученые из Юлихского исследовательского центра представили рабочий прототип устройства, способного на искусственный фотосинтез. Компактная и автономная экспериментальная установка с площадью рабочей поверхности 64 м² была выполнена из недорогих материалов. КПД составило 10%, что превысило показатели предыдущих подобных разработок. Ученые отметили, что устройство способно меняться в размерах в зависимости от потребностей: это могут быть целые фотоэлектрохимические системы площадью в несколько квадратных метров.
Фотосинтез ради топлива
Искусственный фотосинтез нужен не только ради чистого воздуха, но и для переработки углекислого газа в топливо или другие полезные продукты. С 2010 года в США существует Объединенный центр искусственного фотосинтеза, основной задачей которого является поиск экономически эффективного метода производства топлива с использованием солнечного света, воды и углекислого газа.
В 2016 году такая система была разработана. Профессор энергетических наук из Гарварда Дэниел Носера с коллегами успешно применил фотосинтез для создания жидкого топлива. Эффективность системы оказалась очень высокой: около 10%. То есть установка захватывает одну десятую энергии солнечного света и превращает ее в топливо. Это намного эффективнее, чем естественный фотосинтез: растения преобразуют в углеводы лишь 1% солнечной энергии. Профессор выразил надежду, что его изобретение поможет уйти от использования ископаемого топлива.
В устройстве были применены природные материалы — бактерии. За счет катализаторов вода разделяется на кислород и водород, а также подает водород бактериям вместе с углекислым газом. Бактерии, биоинженерные до определенных характеристик, превращают углекислый газ и водород в жидкое топливо.
Несколько компаний, включая Joule Unlimited и LanzaTech, работают над производством биотоплива из углекислого газа и водорода, но они используют бактерии, которые потребляют угарный или углекислый газ, а не водород. Система Носеры может работать при более низких температурах, с более высокой эффективностью и при более низких затратах. При этом не выделяется никаких дополнительных парниковых газов в атмосферу, а углекислый газ захватывается прямо из воздуха, что приносит пользу экологии.
Исследования Объединенного цента искусственного фотосинтеза, финансируемые Министерством энергетики США, в большей степени заточены на использование неорганических катализаторов, а не бактерий, которые будут преобразовать водород и углекислый газ в жидкое топливо. Пока до коммерциализации технологий искусственного фотосинтеза очень далеко, но уже сегодня ясно, что за ними будущее.