Искусственный фотосинтез
Утверждение, что на ограниченной планете не может быть неограниченного роста, стало почти общим местом. Но Земля ограничена лишь размерами. С термодинамической точки зрения она представляет собой открытую систему[180]. Источником всей земной жизни в конечном счете является постоянный приток энергии Солнца. Количества энергии, которое за 1 час поступает на Землю в виде солнечного света, достаточно для удовлетворения почти годовой потребности человечества. Солнечный свет — источник постоянного обновления органической жизни на планете. В начале всех биологических созидательных процессов стоит фотосинтез: преобразование солнечного света и воды в богатые энергией углеродные соединения. Фотосинтез состоит из двух этапов. Солнечный свет дает энергию для расщепления воды на составные элементы — кислород и водород. Затем из водорода и абсорбируемого из воздуха углекислого газа образуются сложные углеводородные соединения. Процесс имеет дневную и ночную фазы. Днем солнечный свет и вода преобразуются в богатые энергией химические соединения, ночью растения забирают из воздуха углекислый газ, создавая из него молекулы сахара. Благодаря фотосинтезу не только образуются питательные вещества для растений и микроорганизмов; одновременно воздух очищается от углекислого газа и обогащается кислородом. Так что без фотосинтеза жизнь человека на Земле невозможна.
Процесс фотосинтеза протекает не только в наземных растениях, но и в водорослях, бактериях и морских микробах. В 1 л морской воды живет примерно 100 млн таких одноклеточных. Это самый мелкий из известных организмов, освоивших процесс фотосинтеза. Из солнечного света, воды и углекислого газа они производят примерно четверть кислорода, которым мы дышим[181]. Эта гигантская солнечная электростанция, состоящая из живых организмов, ежегодно преобразует примерно 1350 ТВт солнечной энергии в биомассу. Человечеству же требуется примерно 16 ТВт энергии в год. Какой бы внушительной ни казалась эта цифра, по сравнению с потенциалом солнечного излучения она не так уж и велика. «Так что искусственный фотосинтез способен несколько ослабить нашу обеспокоенность по поводу энергии»[182]. В конечном счете ископаемые энергоносители тоже не что иное, как конденсированная солнечная энергия. За миллионы лет они образовались из растительных веществ.
Искусственный фотосинтез — собирательное понятие для целого ряда методов преобразования солнечной энергии в такие энергоносители, как метан, этанол и водород. В отличие от солнечного электричества они используются в химической промышленности как основное сырье, кроме того, их легко хранить. Метан можно транспортировать по газопроводам; для этанола можно использовать инфраструктуры, созданные для жидких видов топлива; энергетическая плотность водорода в три раза выше, чем у бензина. Его можно использовать либо как непосредственный источник энергии, либо преобразовывать в электричество при помощи топливных элементов. В этом направлении работает уже множество исследовательских проектов по всему миру. Соответствующая программа разработана в Великобритании, несколько японских групп проектируют солнечные батареи нового образца, Министерство энергетики США за 5 лет инвестировало в калифорнийский Центр искусственного фотосинтеза 122 млн долларов[183].
В Массачусетском технологическом институте группа исследователей под руководством Дэниэла Ночеры создала искусственный лист, который обладает способностью расщеплять воду на водород и кислород. Лист размером с игральную карту состоит из кремния; катализатором для ускорения фотохимического процесса служит фосфат кобальта. Расход электричества при электролизе очень невелик. Если нанести катализатор на оборотную сторону обычной солнечной батареи и поместить плоский модуль в сосуд с водой, то дополнительный источник электричества для выделения водорода не нужен. В дальнейшем Ночера намерен создать такую автономную систему, при помощи которой энергию, необходимую в домохозяйстве, можно было бы получать самостоятельно из солнечного света и нескольких литров воды. Эта технология представляет интерес прежде всего для сельской местности, где еще не все дома подключены к федеральной системе электроснабжения. До коммерческого использования открытия Ночеры пока далеко, но то же самое можно было сказать и о первых фотогальванических установках.
Бременская стартап-компания Sunfire разработала метод производства синтетического топлива из углекислого газа и воды. При помощи электролиза воду расщепляют на кислород и водород. Водород вступает в реакцию с CO2 и в несколько этапов преобразуется в бензин, дизель, керосин или метан. Углекислый газ поступает из воздуха через фильтр. При высокотемпературном паровом электролизе КПД процесса достигает 70 %. Эта часть использованной электроэнергии как тепловой эквивалент аккумулируется в топливе. Именно поэтому данный метод наиболее подходит для хранения избыточной ветровой и солнечной энергии. В 2010 г. была введена в строй первая опытная лабораторная установка, а уже к 2016 г. планируется ввести в строй первые допромышленные образцы. Особый интерес этот метод представляет для самолетостроения и грузового автомобильного транспорта, где из-за невысокой энергоемкости электробатарей невозможно использовать электромоторы[184].
Американский физик Фриман Дайсон, известный своим нестандартным мышлением, видит ключ к развитию сельских регионов во всем мире в сочетании солнечной энергии, фотосинтеза и Интернета: солнечная энергия дает необходимое электричество, фотосинтез поставляет энергию для транспорта, Интернет призван покончить с изоляцией деревенских общин, открыв им доступ к информации и рынкам[185].
Второе главное направление исследований в области фотосинтеза касается способности природных организмов преобразовывать солнечный свет и углекислый газ в углеродные соединения. Выращенные в биореакторах водоросли и бактерии способны впитывать углекислый газ и создавать из него вещества, из которых можно синтезировать биодизель и этанол. Один пример: «Перспективный метод, при помощи которого из углекислого газа… можно производить бутанол, разработали ученые Калифорнийского университета. Джеймс Льяо и его коллеги культивировали генно-модифицированный вариант бактерии ralstonia eutropha, насыщая воду углекислым газом. При подаче электричества из обычной солнечной батареи углекислый газ вступает в реакцию с водой, образуя муравьиную кислоту. Микробы поглощают муравьиную кислоту, преобразовывая ее в бутанол. Для синтеза биотоплива можно использовать алкоголь, имеющий относительно высокую энергетическую плотность. Правда, процесс еще недостаточно эффективен, но движется в нужном направлении, поскольку в будущем таким способом можно будет аккумулировать солнечное электричество в углеводородах»[186]. Подобные методы уже можно применять в промышленных масштабах. Лидируют в производстве топлива при помощи биологических организмов американские военные. И дело вовсе не в заботе о климате, скорее их интересует возможность достижения независимости от импорта нефти и сокращения длинных транспортных цепочек. Уже прошли первые пробные полеты на биокеросине[187].
Третье направление — оптимизация протекающего в растениях фотосинтеза с целью стимуляции их роста и повышения урожайности. Оптимизация природы означает в данном случае более эффективное использование солнечной энергии для производства питательных веществ, поскольку количество солнечной энергии, впитываемой растениями и преобразуемой в углеродные соединения, в значительной степени определяет скорость роста и размеры листьев, корней, плодов и семян. Как правило, зеленые растения используют от силы 3 % поступающего солнечного света. Скорость фотосинтеза зависит от вида растений. Например, у кукурузы, пшена, сахарного тростника, китайского камыша есть специальный клеточный аппарат для преобразования солнечного света в водород и создания сахаристых веществ при участии CO2, благодаря чему в этих растениях фотосинтез протекает намного быстрее, чем, скажем, в рисе, у которого подобный механизм не развит, хотя и заложен генетически. Если при помощи целенаправленных генетических модификаций его удастся запустить, урожайность риса можно будет значительно повысить. Над этим работает филиппинский международный исследовательский консорциум, координируемый Международным институтом исследования риса (International Rice Research Institute, IRRI)[188]. Финансирует проект Фонд Билла и Мелинды Гейтсов. С немецкой стороны в этом объединении участвует Институт эволюционной и молекулярной биологии растений при Университете Дюссельдорфа. Развитие у риса механизма высокоэффективного фотосинтеза (фотосинтез-С4) не только повысит его урожайность примерно на 50 %, но и позволит существенно понизить потребление воды в процессе выращивания.
Нельзя забывать, что рис служит основой питания примерно половины населения Земли. В настоящее время 1 га рисового поля в Азии кормит около 27 человек. К 2050 г. риса с 1 га предположительно должно хватать на 43 человека. Потребность в земле и воде растет вместе с населением. Рис относится к злакам, требующим интенсивного орошения. Около 30 % всей пресной воды на Земле идет на выращивание риса[189]. Ожидаемые последствия изменения климата повлекут за собой дополнительную нагрузку на сельское хозяйство. Повышение урожайности и засухо- и жароустойчивости риса имеет важнейшее значение для продовольственной безопасности в Азии. Ответ на вопрос, какие методы и пути напрямую ведут к этой цели, должна дать практика. В своей книге «Фактор пять» Эрнст Ульрих фон Вайцзеккер рассказывает о новом сорте риса, который получил название «Закаленный» (Hardy) и, как утверждается, дает высокие урожаи даже в условиях засухи. Ученые из Института биоинформатики в Вирджинии встроили в рис ген кардаминопсиса, который отвечает за высокоэффективное использование воды, вследствие чего у растений активизировался процесс фотосинтеза и сократилась потребность в воде. В итоге новый сорт риса в засуху дал на 50 % больше урожая[190].
Рост биопроизводства при помощи фотосинтеза повышает и потенциал биомассы в качестве энергоносителя и сырья, дополнительный эффект — очищение атмосферы от CO2. Шансы и риски, связанные с этими процессами, должны всесторонне обсудить политики, ученые, промышленники и представители гражданского общества.