Статьи

Статья
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.

Читайте также
Маршрут на случай апокалипсиса
Маршрут на случай апокалипсиса
Кто лучше всех готов к концу света? Где хранятся запасы на черный день?
Как долго человек может продержаться без сна?
Как долго человек может продержаться без сна?
Что случится с человеком, если лишить его сна?
Научный блог. Теперь наша космонавтика отстает на 10 лет
Научный блог. Теперь наша космонавтика отстает на 10 лет
Научный журналист Виталий Егоров объясняет, в чем дело