Нельзя допустить, чтобы экологически чистый энергоноситель производился с загрязнением окружающей среды, нанося ущерб, принижающий экономический эффект от внедрения использующих водород технологий.
Академик В. А. Легасов
Правда, некоторые ученые склонны называть это не загрязнением, а, наоборот, восстановлением нарушенного миллионы лет назад экологического равновесия. В каменноугольный период, когда, собственно, и создавались запасы современного топлива, экосистема была несбалансированной, и огромное количество углерода постоянно изымалось из оборота.
Как известно, в процессе обычного фотосинтеза содержащаяся в воздухе углекислота распадается, содержащийся в ней углерод остается в составе тканей растения, а свободный кислород выделяется в атмосферу. В большинстве современных экосистем отмершая органика (палые листья, упавшие древесные стволы) затем гниют, окисляются, и углерод возвращается в атмосферу в составе СО2 .
Исключение составляют болота, где большое количество органики сразу после смерти оказывается под слоем воды, а потом и ила, без доступа кислорода. В палеозое болота были куда более распространенным ландшафтом, чем в наше время, и огромное количество органики не окислялось, поэтому концентрация кислорода в атмосфере постепенно повышалась, а под землей возникали залежи углеводородов — будущие месторождения нефти и газа. Если бы так продолжалось и дальше, земные растения и бактерии начали бы страдать от недостатка углекислого газа и, конечно же, от холода, потому что возник бы эффект, обратный парниковому. Однако этого не случилось, на Земле развились сбалансированные системы, которые в среднем выделяют столько же углекислого газа и свободного кислорода, сколько и потребляют. Состав земной атмосферы стабилизировался. Но спустя многие миллионы лет случилась промышленная революция, и человек начал откапывать некогда захороненную, недоступную для окисления органику, сжигать ее для получения энергии и тем самым возвращать в атмосферу углерод, изъятый оттуда в палеозое.
Возможно, с точки зрения глобального развития экосистемы такой сценарий и можно назвать восстановлением равновесия, но он совсем не устраивает человечество. Папоротниковые леса каменноугольного периода, конечно, прекрасны и величественны, но выжить там нам с вами было бы очень трудно. Мы вряд ли сможем дышать тем же воздухом, что и гигантские стрекозы. Поэтому люди заняты поисками альтернативных способов получения энергии. Их предложили на сегодняшний день довольно много, но каждая идея, увы, содержит в себе какой-нибудь подвох.
Одна из таких идей — использовать в качестве топлива водород. При его сгорании в кислороде выделяется большое количество энергии, а отходом является не СО2 , а H2 O. Обыкновенная вода.
Водород активно применяется как ракетное топливо, но и двигатели внутреннего сгорания, работающие на водороде, известны с середины прошлого века. В СССР их использовали еще во время Великой Отечественной войны, в блокадном Ленинграде, где не хватало не только пищи, но и горючего для машин. Тогда это было вынужденное временное решение, и после войны наступила довольно длинная пауза, но в 1980-х гг. такие модели начали создавать целенаправленно. Появилось несколько автомобилей, даже автобусы. В апреле 1988 г. первый полет выполнил экспериментальный самолет Ту-155 (конструктор — Владимир Александрович Андреев). Его двигатели могли работать на сжиженном природном газе либо на сжиженном водороде. Всего на Ту-155 было выполнено более 100 полетов, из них пять на жидком водороде, установлено 14 мировых рекордов.
В ХХI в. это направление продолжило развиваться. В конце 2010 г. в Лондоне объявили о том, что вывели первый водородный автобус на туристический маршрут и что к середине следующего года их будет уже семь. В 2016 г. в Германии запустили водородный поезд. В 2018 г. случился ряд событий, которые вроде бы говорят о том, что транспорт на водородном топливе прочно входит в нашу повседневность. Бельгийский производитель автобусов Van Hool получил заказ на производство и поставку 40 водородных автобусов в Германию. Toyota планировала выставить на продажу сотню водородных автобусов к Олимпиаде 2020 г.
Казалось бы, все обстоит прекрасно, но многие специалисты — энергетики, экологи, экономисты — попрежнему оценивают перспективы водородного транспорта скептически, считают, что эти машины так и останутся экзотикой и даже не способны сильно повлиять на рыночный расклад, не говоря уже о том, чтобы глобально изменить облик нашей цивилизации.
В чем же подвох? Определенную роль тут играет взрывоопасность водорода, но это еще полбеды. Такие двигатели работают без вредных отходов, но где брать топливо? Хотя водород — самый распространенный химический элемент во Вселенной, на Земле природного молекулярного водорода (H2 ) очень мало. В составе других соединений он имеется в изрядном количестве, составляет 1 % от всех земных элементов, если считать по весу, и целых 17 % от общего количества атомов, но вот в виде H2 это огромная редкость. Иногда выделяется во время вулканических извержений и составляет ничтожные доли процента в земной атмосфере.
Молекулярный водород — вторичное сырье, его создают искусственно, для того чтобы использовать в химической промышленности.
Чаще всего его получают в результате так называемой газопаровой конверсии угля, когда над раскаленным углем (коксом) пропускают водяной пар. При высокой температуре атомы водорода в воде замещаются на атомы углерода. Реакция выглядит так: C + H2 O = CO + H2 .
Также водород получают из газа метана: CH4 + H2 O = CO + 3H2 .
Как мы видим, побочным продуктом обеих реакций является даже не углекислота (СО2 ), а гораздо более токсичный угарный газ (CO).
Получается, для того чтобы создать экологически чистое топливо, мы используем крайне экологически грязный процесс. Правда, можно продолжить: СО + H2 O = CO2 + H2 .
Но на это нужны дополнительные затраты энергии, а выброс в атмосферу СО2 — тоже ведь не мечта эколога.
Еще существует такой способ, как разложение метана при высокой температуре: CH4 = C + 2H2 .
Тут все выглядит вроде бы лучше, тем более что сажу (аморфный углерод) не обязательно выбрасывать в атмосферу, а можно осадить и использовать в промышленности. Но нужна высокая температура, и вот как ее получать экологически чистым способом?
Наконец, способ, который многим представляется самым заманчивым, — электролиз воды. 2Н2 O + энергия —> 2H2 +O2 .
Но опять-таки нужна энергия, много энергии, и если делать чтото действительно масштабное, а не симпатичную игрушку для «зеленых», то взять ее неоткуда, кроме как сжигая углеводороды. Таким образом, если просуммировать экологический эффект от использования водородного топлива и от его производства, то получается, что овчинка выделки не стоит. И это мы еще ничего не говорили о денежной стороне вопроса.
Похоже на тупик, но есть просвет. Биологам известны экзотические варианты фотосинтеза, в ходе которых выделяется не кислород. Иногда продуктом жизнедеятельности бактерий могут быть сера, железо и… водород. Правда, подобные организмы — жуткие экстремофилы. Как правило, они анаэробны, так как присутствие кислорода блокирует соответствующие химические реакции. Диапазон условий, в которых бактериальное сообщество производит сколько-нибудь значимое количество водорода, очень узок.
Большие надежды возлагают на генную инженерию, о выдающихся успехах которой мы рассказывали в № 1 за 2019 г. Операция по пересадке генома позволяет превратить один вид бактерии в другой. Более того, ученые работают над созданием совершенно новых видов бактерий с заданными параметрами. В перспективе — появление искусственной бактерии, которая будет выделять молекулярный водород в процессе жизнедеятельности.
В настоящее время такого рода исследования в основном связывают с именем Крейга Вентера, одного из двух ключевых лидеров в процессе расшифровки генома человека, основателя Института геномных исследований (TIGR), Институт Крейга Вентера(JCVI) и компании Synthetic Genomics. Последняя специализируется на разработке технологии использования модифицированных или синтетически произведенных микроорганизмов для выработки альтернативных видов топлива. Впрочем, насколько это направление окажется успешным, пока неизвестно, а тем временем уже известные организмы тоже оставляют широкое поле для деятельности.
В ноябре 2018 г. в журнале Frontiers in Energy Research появилась публикация, в которой ученые из испанского Университета имени короля Хуана Карлоса предложили убить сразу двух зайцев и найти применение ценному ресурсу, который до сих пор в буквальном смысле спускали в канализацию. Они разработали технологию использования пурпурных бактерий-фототрофов для переработки органических соединений из канализации в водородное топливо с нулевым выбросом диоксида углерода. Таким образом одновременно решается проблема очистки сточных вод и получения ценного экологически чистого топлива.
Бактерии, которые несведущему человеку могут все показаться очень похожими друг на друга, на самом деле очень разнообразны. Два вида бактерий могут генетически отстоять друг от друга гораздо дальше, чем бабочка и носорог. Специалисты делят их на группы, которые, в свою очередь, могут быть очень разнородны. Одной из таких крупных разнородных групп являются пурпурные бактерии. Название это довольно условно. Наряду с пурпурным они могут приобретать красные, оранжевые, коричневые оттенки. Обычно составляют средний слой трехслойных бактериальных матов, где дефицит кислорода, но еще достаточно света. Для таких бактерий характерны нестандартные виды метаболизма, и в определенных условиях они могут выделять водород. Поработав с этой особенностью, пурпурные бактерии можно превратить в идеальный инструмент для очистки сточных вод от органических загрязнений. В процессе своей жизнедеятельности они будут разлагать углеводороды, используя углерод для построения собственной клетки и выделяя молекулярный водород.
Но в природных условиях пурпурные бактерии далеко не всегда ведут себя нужным образом. Тип их метаболизма может меняться в зависимости от окружающих условий: температуры, освещения и состава имеющихся в наличии питательных веществ. Испанские ученые испробовали разные условия, чтобы «настроить» метаболизм нужным образом.
Важнейшим открытием стало то, что, оказывается, нужного результата можно добиться с помощью электрического тока. Как известно, в процессе фотосинтеза высвобождаются лишние электроны, а воздействие внешнего источника тока позволяет сделать этот процесс более направленным и интенсивным. Создается своего рода биоэлектрическая батарея.
«В процессе метаболизма пурпурные бактерии испытывают проблемы с избытком электронов. Один из способов вывести лишние электроны — фиксация СО2 при фотосинтезе, как делают растения. Второй способ — высвобождение электронов в виде газообразного водорода. Электрический ток позволяет нам взять эти процессы под контроль и манипулировать ими», — рассказал один из авторов исследования Даниель Пуйоль.
Кроме того, удалось выяснить, каково оптимальное соотношение разных видов пурпурных бактерий для продуцирования максимального количества водорода и минимального — углекислого газа.
Энергозатраты, необходимые для работы такой биоэлектрической системы, совсем невелики. Пока результат получен лишь на уровне лаборатории, но в ближайших планах создание небольшой установки, которая сможет обеспечить энергией десятки, а возможно, и более сотни домов, и кто знает, как изменит это открытие мир в будущем.
Статья была опубликована в мартовском номере журнала "Наука и техника" за 2019 год
