Топливо будущего
Что будет, когда ископаемое топливо закончится? Будем всё запитывать от солнечных батарей и ветряков? Необязательно. Химики трудятся над созданием топлив, которые не будут накачивать нашу атмосферу углекислым газом. Труднее другое: как производить их, не расходуя при этом ценнейшие ресурсы планеты.
Обе величайшие технологические задачи планетарных масштабов связаны с топливом. Первая: ископаемое топливо исчерпывается. Вторая: сжигание ископаемого топлива наполняет атмосферу парниковыми газами, отчего меняется климат на всем земном шаре — к худшему. Решение ослепительно очевидно: прекратить использовать ископаемое топливо.
Уменьшение нашей зависимости от ископаемого топлива — это поиск других способов получения энергии. Энергия солнца и ветра заметно утоляет наши энергетические потребности, но энергия — не топливо: можно сдать излишки в национальную электросеть, но закачать ее в автомобиль и уехать — нет. Вот в чем преимущество ископаемого топлива: это энергия, хранимая в химическом виде.
Но электромобили же решили эту задачу? Почему бы не заряжать их солнечной энергией из электросети? Эх, ископаемое топливо — по-прежнему гораздо более эффективная форма энергии, в которой ее можно возить с собой.
В единицу массы нефтепродуктов помещается гораздо больше энергии, а значит, поди найди сопоставимый источник энергии для средств передвижения — например, для самолетов. Надеяться тут можно лишь на значительные инженерные прорывы и резкое сокращение массы производимых аккумуляторов, иначе можно городить фотоэлектростанции и ветряки сколько угодно, а горючее нам будет нужно по-прежнему. Более того, наши энергосистемы рассчитаны на топливо, а значит, если бы мы могли придумать экологичные альтернативные продукты, можно было бы эти системы не перегружать.
Водородная головная боль
Потенциальным решением может оказаться вещество с мельчайшими, простейшими частицами, элемент на вершине Периодической таблицы. Водород. Его уже применяют в ракетном топливе, и это решение — вроде бы идеальное. В автомобиле на таком топливе водород взаимодействует с кислородом внутри топливной ячейки, получается энергия и вода. Чисто, никаких тебе углеродов, но где найти бесперебойный источник водорода и как его таскать с собой без опасности для жизни? Хватит самой чуточки кислорода и искры — и получится немаленький взрыв.
Перво-наперво химикам нужно понять, как добывать прорву водорода. Уильям Николсон и Энтони Карлайл получили водород в 1800 году, сунув провода простенького аккумулятора в ванну с водой. Воду на кислород и водород, вообще-то, делят растения в процессе фотосинтеза. Как это часто бывает, химики пытаются стибрить идею у природы и создать искусственные листья.
«Верните ногам человеческим задачу перемещения. Пешеход полагается на топливо в виде пищи, и ему не нужно особых парковочных сооружений» Льюис Мамфорд (1895-1990), американский историк, философ
Искусственный фотосинтез вырос в эпический научный проект: правительства жертвуют сотни миллионов долларов на создание рабочей модели «водяного сплиттера». По сути, это охота на материалы, способные усваивать солнечный свет (как солнечные батареи), и на материалы, которые катализируют распад воды на кислород и водород. Задача — найти простые материалы, которые не стоят, как нынешняя запчасть от «Боинга», и не портятся через пару дней.
Задачка старая, решение — новое
Допустим, мы освоим практическую часть задачи. Тогда мы сможем создавать из водорода более привычные нам формы топлива. Процесс Фишера—Тропша позволяет получать углеводородное топливо из водорода и оксида углерода, то есть из синтез-газа. И тогда не придется городить отдельную инфраструктуру водородных автозаправок.
Однако можно и сам синтез-газ получать иначе: нагревать диоксид углерода с водой при 2200 °С и вырабатывать таким способом водород, оксид углерода и кислород. С таким подходом, правда, есть пара неувязок: во- первых, чтобы нагреть смесь до эдакой температуры, требуется много энергии, а во-вторых, кислород — это всегда серьезный риск взрыва, если где-нибудь рядом есть водород. Некоторые новейшие практические приспособления для расщепления воды имеют дело с той же проблемой, поскольку не разделяют кислород и водород, получающиеся при распаде воды.
В 2014 году, впрочем, химики из европейского проекта «Солар-Джет» придумали нечто впечатляющее. Способом Фишера—Тропша они превратили синтез-газ в авиатопливо. Хотя получилось у них совсем чуть-чуть, все же это символическая веха, поскольку добились они своего с помощью «солнечного симулятора» — устройства, похожего на гелиоконцентратор. Гелиоконцентраторы — исполинские искривленные зеркала, фокусирующие свет в одну точку, где достигаются высокие температуры. Исследователи применили солнечное тепло, полученное таким способом, и получили синтез-газ — и тем обошли проблему энергии для процесса, а примененный как поглотитель кислорода оксид церия устранил опасность взрыва.
В общем, в некотором смысле химики задачу решили. С помощью неисчерпаемой солнечной энергии они уже создают чистое топливо, в том числе и авиационное. Впрочем, просто не будет все равно: остается придумать, как все удешевить, сделать надежным и не потратить по ходу дела все природные ресурсы. Ныне умная химия — это не просто получение того, чего наша душа пожелает. Это способы делать все так, чтобы работало вечно.
Искусственные листья
Искусственные листья («сплиттеры воды») в целом основаны на общей схеме, в которой каждая из двух частей реакции разложения воды протекает по отдельности. По сторонам реактора есть по электроду, реакционная емкость разделена надвое тонкой мембраной, которая не позволяет молекулам перемещаться туда-сюда. Электроды сделаны из полупроводниковых материалов, которые, как и кремний в солнечной батарее, поглощают энергию света. По одну сторону от мембраны катализатор, включенный в поверхность электрода, тянет на себе кислород из воды, а по другую - другой катализатор генерирует желанный водород, объединяя ионы водорода в молекулы, восстанавливая их электронами.
Некоторые такие приборы работают на катализаторах, включающих в себя редкие дорогие металлы вроде платины, но идет поиск материалов подешевле, чтобы надолго хватило: материаловеды применяют высокоскоростной анализ миллионов потенциальных катализаторов. Химикам необходимо оценивать не только каталитические способности этих веществ, но и их долговечность, цену и доступность материалов, необходимых для их производства. Некоторые исследователи даже проектируют такие катализаторы из органических молекул, которые растения применяют в фотосинтезе.
Водородные рабы
Есть и такая идея: добывать водород с помощью зеленых водорослей, осуществляющих фотосинтез, или растений. Некоторые водоросли расщепляют воду и производят кислород, ионы водорода и электроны, а затем ферменты гидрогеназы сцепляют ионы водорода и электроны вместе, и получается газообразный водород. Можно было бы привлечь генных инженеров поработать с этими водорослями, чтобы те давали больше водорода. Ученые уже определили несколько генов, значимых в этом процессе.