16+
Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/epr/294/5083020.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 10 (294) май 2016 года

Спасение человечества – фотосинтез

В борьбе за энергетические ресурсы разжигаются войны. Запасы нефти и газа истощаются, а альтернативные источники энергии пока не слишком эффективны.

Еще одна серьезная проблема цивилизации – глобальное изменение климата, спровоцированное переизбытком парниковых газов в атмосфере Земли. Панацею в буквальном смысле этого слова ученые видят в разгадке и воспроизведении процесса фотосинтеза.



Совершенное топливо

Проблема глобального изменения климата и ухудшения экологии поставила человечество перед задачей поиска альтернативных источников энергии. Как результат во многих странах развилась альтернативная энергетика (АЭ), основывающаяся на возобновляемых источниках энергии: солнечный свет, мощь ветра, воды и т. д. Главная задача АЭ – давать большое количество энергии из возобновляемых источников при минимальном вреде экологии. На данный момент КПД систем АЭ невысок относительно затрат, поэтому поиски максимально эффективного способа получить дешевую и безвредную для землян энергию продолжаются. В числе перспективных направлений мировая наука видит природный фотосинтез. Серьезный взгляд на этот уникальный процесс наука обратила в середине 1940‑х годов, когда Ганс Гафрон открыл, что зеленая водоросль Scenedesmus obliquus продуцирует водород.

Фотосинтез – это физико-химический процесс превращения энергии солнечного света в энергию химических связей органических веществ, осуществляемый высшими растениями, микроводорослями и некоторыми бактериями и обеспечивающий жизнь на Земле органическими соединениями и кислородом. В процессе фотосинтеза происходит расщепление воды: образование одной молекулы кислорода из двух молекул воды, сопровождающееся выделением двух эквивалентов водорода.

И если кислород – газ, необходимый всем нам для жизни, в качестве топлива неперспективен, то с водородом все иначе. С помощью топливных ячеек люди могут легко вырабатывать из водорода электричество, а также использовать этот газ в качестве топлива. Что и делают успешно около двухсот лет. Вспомним изобретателя Франсуа Исаака де Риваза, в 1806 году он создал двигатель внутреннего сгорания, который работал на водороде. Используют водород в качестве топлива и сейчас. Неоспоримое преимущество этого газа перед углеродсодержащими топливами в том, что при его сгорании в качестве продукта реакции образуется вода. Вода! Абсолютно безвредный продукт. К тому же при сгорании водорода выделяется в несколько раз больше энергии, чем при сгорании аналогичного количества бензина.

Проблема водородной энергетики заключается в сложности и энергоемкости производства, а также чрезвычайной взрыво­опасности водорода. Ко всему производство водорода дорого обходится. Но это только пока. Ученые всего мира работают над воссозданием процесса фотосинтеза в лабораторных условиях, желая получить водород практически бесплатно – исключительно из света и воды.


Утопия или реальность?

Еще 142 года назад французский писатель Жюль Верн в своем романе «Таинственный остров» писал:

«Я думаю, что воду когда‑нибудь будут употреблять как топливо, что водород и кислород, которые входят в ее состав, будут использованы вместе или поодиночке и явятся неисчерпаемым источником света и тепла, значительно более интенсивным, чем уголь. Придет день, когда котлы паровозов, пароходов и тендеры локомотивов будут вместо угля нагружены сжатыми газами, и они станут гореть в топках с огромной энергией… Вода – уголь будущего».

Что ж, писатель и географ предвидел будущее. На сегодняшний день ученые очень близки к разгадке тайны фотосинтеза – получению экологически чистой энергии от возобновляемых источников энергии, электронов и протонов (соответственно, солнца и воды). Широко используемые природные виды топлива (нефть, уголь, газ) при сгорании выделяют большое количество диоксида углерода, а также вредные для окружающей среды и здоровья людей оксиды азота и серы. К тому же однажды эти ископаемые закончатся. А вот Солнце будет светить еще миллиарды лет, а воды на Земле в избытке. Таким образом, воссоздание процесса фотосинтеза со временем сведет на нет зависимость человечества от нефти, газа и угля, решит проблему выброса в атмосферу парниковых газов, а значит, улучшит экологию и остановит глобальное потепление. Согласитесь, перспектива фантастическая. Но, главное, вполне реальная.

Фотосинтез намного эффективнее современных способов выработки энергии. Вдумайтесь, в светозависимой стадии фотосинтеза коэффициент преобразования света близок к 100 процентам, для современных солнечных батарей этот показатель в среднем равен 15 процентам. До мельчайших деталей разобравшись в молекулярных механизмах фотосинтеза, ученые создадут искусственную технологию преобразования энергии Солнца и смогут получать электричество, а также молекулярный водород.



Вопрос десятилетия

Группа российских ученых из лаборатории управляемого фотобиосинтеза Института физиологии растений им. А. К. Тимирязева РАН успешно трудится над поиском путей фотовыделения водорода, мимикрирующего природный фотосинтез. О том, каких результатов сегодня удалось добиться ученым, рассказывает заведующий лабораторией доктор биологических наук Сулейман Аллахвердиев: – Мы работаем совместно с японцами, сингапурцами и иранцами, хотим моделировать процесс, который идет в фотосинтезе, и получить такую систему, где с одной стороны – вода и солнечный свет, а на выходе – молекулярный водород. Конкретная задача лаборатории заключается в поиске путей и получении экспериментальной научной информации о возможностях создания новых высокоэффективных нанобиомолекулярных устройств для превращения солнечной энергии в энергию химических соединений с сопутствующим выделением фотоводорода, мимикрирующих природный фотосинтез. А также получение знаний, необходимых для разработки, проектирования и построения полуискусственных и / или искусственных устройств, которые будут способны производить водород. Энергия для этого процесса будет поставляться Солнцем, а электроны и протоны – в результате фотосинтетического расщепления воды в оксигенном фотосинтезе. Оба эти процесса бесплатны, а процесс расщепления воды оптимизирован природой уже в течение миллионов лет.

Я занимаюсь изучением фотосинтеза с 1977 года. Сначала мы много работали над изучением структуры и функции природной фотосистемы-2 и механизмов ее действия (ФС-2 – это особая молекулярная структура, с помощью которой используется энергия солнечного света, необходимая для реакции разложения воды). Наша лаборатория под руководством академика А. А. Красновского, затем академика В. А. Шувалова и впоследствии профессора В. В. Климова при участии к. ф.‑м. н. А. В. Клеваника установила, что в реакционном центре есть еще одна молекула фотохимически активного феофитина. В дальнейшем были получены энергетические и кинетические характеристики ФС-2 с участием феофитина. Это был наш первый вклад, признанный в научном мире. После этого мы сделали много других экспериментов, и еще не одно открытие в процессе исследования фотосистемы-2.

Кроме того, в 1980‑х годах мы установили, что наиболее эффективным катализатором для окисления воды в процессе фотосинтеза является широко распространенный в природе марганцевый комплекс. Марганцевый кластер содержит, как мы показали, 4 атома марганца. Вместе с кальцием они работают как катализатор – расщепляют воду и передают электроны дальше. Мы долго синтезировали и исследовали разные металлы в качестве катализаторов и в конце концов установили, что самый эффективный катализатор – марганцевый комплекс. Это большой шаг в работе по моделированию фотосинтеза.

Последние десять лет мы занимаемся не только исследованием ФС-2, а еще и изучением искусственного и полуискусственного фотосинтеза. Есть много искусственных систем, с помощью которых можно получить электричество. У них максимальная эффективность – около 40 процентов, но при этом они очень дороги. Мы же работаем над тем, чтобы увеличить эффективность процесса получения энергии до 100 процентов, как в природе. Так как в природе энергия квантов поглощенного света с эффективностью около 100 процентов превращается в химическую энергию, то есть квантовый выход этого процесса близок к 1. В данный момент при воссоздании искусственного фотосинтеза мы достигли эффективности 16‑17 процентов. Но задача увеличения этой цифры до 100 процентов – это, возможно, вопрос одного десятилетия.

Совершенно ясно, что никакие полупроводниковые системы не могут показать столь высокую эффективность и столь низкие затраты, как фотосинтез. Таким образом, фотосинтез – единственная известная человеку система, достигающая столь высокого уровня эффективности.

Ученые во всем мире работают над получением водорода лабораторным путем. И есть хорошие результаты. Например, нами в соавторстве с группой ученых из Сингапура получен фотоводород из воды с помощью титановых наночастиц. Но это дорогой способ. Есть в России группа ученых, которые получают водород из цианобактерий. Для этого они используют огромные площади, где выращиваются цианобактерии, и это тоже затратный вариант. Наша задача – получить водород с помощью искусственного фотосинтеза при использовании только света и воды.

К сожалению, в России на альтернативную энергетику на основе фотосинтетических систем никто не обращает внимания. Абсолютно никто. Финансирование нашей работы отсутствует. В РФФИ (российский фонд фундаментальных исследований) я с большим трудом получаю грант в размере всего 500 тысяч рублей. Еще 5 миллионов мне удалось получить из РНФ (российский научный фонд). Мои коллеги в Америке, Японии или Германии (даже, например, в Иране), где есть целевые программы по развитию альтернативной энергетики на основе фотосинтеза, получают более 500 тысяч долларов в год на исследования искусственного фотосинтеза в лаборатории.

Я работаю в области фотосинтеза уже сорок лет, и за это время нам с коллегами удалось продвинуться далеко вперед. Я уверен, что задача «приручить» фотосинтез человеку под силу, это вопрос десяти-пятнадцати лет для нашей лаборатории. Но очевидно, что при таком невнимании государства к нашим исследованиям американцам, европейцам или японцам удастся воссоздать искусственный фотосинтез гораздо раньше.


Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 10 (294) май 2016 года: