http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=95400b51-8fc2-4133-852a-b6190141f32a&print=1
© 2024 Российская академия наук

Синтезируй это

Когда обсуждают, из чего и как можно будет добывать энергию в будущем, едва ли не в первую очередь на ум приходит водород как самое экологичное топливо. Загвоздка лишь в том, что в естественных условиях этот элемент таблицы Менделеева существует в соединениях, а способы его получения в чистом виде обладают невысоким КПД.

Занимаясь этой проблемой, ученые Массачусетского технологического института предложили интересный вариант ее решения. Особый электрод из оксидов индия и олова помещают в раствор, где присутствуют ионы кобальта и фосфат калия, и подводят к нему ток от солнечной батареи так образуется катализатор, благодаря которому молекулы воды расщепляются на кислород и водород. Ионы водорода оседают на втором, платиновом электроде, где и соединяются в молекулы H2. Процесс происходит при атмосферном давлении и комнатной температуре. Правда, катализатор в ходе реакции теряет свои свойства, но потом самовосстанавливается.

В ближайшее время в небо поднимется заправленный самым легким и экологически безопасным газом британский самолет А2

Детальных условий протекания реакции авторы работы пока не раскрывают, намереваясь дождаться результатов первых независимых экспериментов. Но вот на что уже сейчас стоит обратить внимание: процесс, описанный американскими исследователями, циклический - в точности как в природе. По сути, американцам удалось воспроизвести в лабораторных условиях процесс фотосинтеза. Как он происходит в природе? Вода и углекислый газ благодаря хлорофиллу преобразуются в кислород и углеводы. Последние (прежде всего это глюкоза) накапливаются в клетках растений и способствуют их росту. Во всех растениях во время фотосинтеза происходит реакция фотолиза воды, то есть расщепления ее молекул с помощью света. Как и при фотосинтезе, при искусственном способе получения водорода первостепенное значение имеет все то же преобразование воды. В лабораторных условиях воду, в принципе, и в настоящее время можно разделить на составные элементы, например при помощи паровой конверсии метана, но этот способ энергетически неэффективен. И главная причина, не позволявшая проводить эффективный электролиз воды, - отсутствие эффективного катализатора. Теперь, если верить американцам, она устранена.

А к 2010 году на полную мощность заработают заводы по производству машин с водородными силовыми установками

"Если удастся до конца понять, как происходит процесс искусственного фотосинтеза, можно будет создавать энергетические системы чуть ли не со сто­процентным КПД", - комментирует открытие заокеанских химиков заведующий лабораторией биотехнологии и физиологии фототрофных организмов Института фундаментальных проблем биологии РАН доктор биологических наук Анатолий Цыганков. Он уверен, что ставку сегодня в данном научном направлении нужно делать на биофотолиз - светозависимое выделение водорода и кислорода при помощи микроорганизмов. "Среди фотосинтезирующих микроорганизмов, способных выделять водород, наибольшее внимание специалистов привлекают микроводоросли, - рассказывает Анатолий Цыганков. - В обычных условиях они не выделяют водород, используя энергию, запасенную при фотосинтезе, для собственного метаболизма. Но считается, что выделение водорода им необходимо для сброса избытка восстановителя при переходе от безвоздушных темных условий существования к световым. Значит, нужно им такие условия создать". Дело в том, что во всех фотосинтезирующих механизмах функционируют специальные водорастворимые белки ферредоксины. Они оказывают посреднические услуги при переносе электронов с высокоотрицательным окислительно-восстановительным потенциалом во время фотосинтеза. Наши ученые выяснили, что ферредоксин может работать как трехходовой кран. Если как-то повернуть его, он начнет отдавать электрон не туда, куда нужно растению, а на другой фермент - гидрогеназу, благодаря которой образуется водород и которая катализирует его присоединение к различным соединениям в ходе реакций восстановления. "Сейчас мы учимся включать и выключать этот трехходовой кран, то есть управлять им целенаправленно", - говорит Анатолий Цыганков.

Ученые признаются, что пока процесс получения водорода посредством искусственного фотосинтеза не может окупить себя. Загвоздка в том, что водород во всех случаях выделяется в виде газа. Для того чтобы его хранить и использовать в качестве топлива, необходимо перевести его в жидкое состояние. Но сжижение газа на сегодня пока очень энергоемкий процесс, и весь получаемый водород при приведении его в "товарный вид" становится убыточным. Академик РАН, директор Института фундаментальных проблем биологии РАН Владимир Шувалов предложил в связи с этим использовать в полезных целях реакцию искусственного фотосинтеза уже с того момента, как в экспериментальных растениях, допустим, в микроводорослях, возникает свободный электрон. При этом энергия солнечного света фактически преобразовывается в физическую, то есть возникает электрический заряд. В итоге растение в какой-то момент работает в качестве конденсатора, а солнечный свет его постоянно заряжает.

Ученые активно разрабатывают двигатели, способные использовать водород в качестве топлива

Почему бы не использовать именно эту особенность фотосинтеза для нужд человека? Сегодня, как рассказал "Итогам" заведующий лабораторией биохимии хлоропластов Института биохимии им. А. Н. Баха РАН профессор, доктор биологических наук Навасард Карапетян, предпринимаются попытки воссоздать процесс фотосинтеза чисто технологическим путем: то есть хлорофилл-белковые комплексы заменить полностью искусственными компонентами. "Однако пока особого смысла в этом нет, - говорит ученый. - Природа все сделала за нас. Вся система уже содержится в растениях и работает, как маленький завод". Однако российские ученые уже изобрели солнечные батареи совершенно нового типа. Изначально из растений биохимическим путем выделили преобразующие энергию света хлорофилл-белковые комплексы. Затем эти комплексы нанесли на специально обработанный электрод. Получилась поверхность, на которой реакционные центры плотно примыкают друг к другу. На эту же поверхность нанесли еще слой различных промежуточных соединений, а потом второй электрод. Такой "сэндвич" ученые высушили в вакууме, получив твердотельный преобразователь световой энергии, то есть фактически солнечную батарею. Проведя измерения при помощи лазерной спектроскопии, обнаружили, что внутри "сэндвича" при освещении происходит разделение зарядов, и на одном электроде образуется плюс, а на другом минус. "Это фактически и есть батарея, говорит Владимир Шувалов, она дает электродвижущую силу. Ее можно подключать, куда захочется, к электродвигателям, лампам, аккумуляторам, к любым техническим устройствам. Более того, КПД таких батарей куда выше современных, полупроводниковых". На сегодня, по словам Владимира Шувалова, фотосинтетические батареи дают КПД порядка 60 процентов в обычных условиях, а в космосе можно достичь и 90 процентов. В свою очередь последние полупроводниковые солнечные батареи смогли преобразовать свет в электричество только на 40,8 процента, что, по утверждению ученых из американской Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, является абсолютным рекордом. Как говорится, ощутите разницу.