Новости партнеров


GEO приглашает

В Киеве, в американском культурном центре America House проходит выставка «Шик-модерн» молодой украинской художницы Пацци Пеннелло (Pazza Pennello). На картинах, написанных акрилом в стиле поп-арт, запечатлены товары и бренды, хлынувшие на постсоветское пространство после падения железного занавеса


GEO рекомендует

Hisense — китайский бренд с почти 50-летней историей выходит на российский рынок и представляет линейку лазерных телевизоров, холодильников, стиральных машин и кондиционеров


Новости партнеров

Охота за светом

Если ученым удастся смоделировать фотосинтез растений и тем самым научиться сохранять энергию Солнца, то можно будет говорить об энергетической революции
текст: Саша Карберг
David Furness SPL/Agentur Focus

Иногда профессор химии Дэниел Носера приходит на набережную реки Чарльз и смотрит на противоположный берег, где высятся небоскребы Бостона. На этом берегу, за спиной у Носеры, «инкубаторы идей» американского Кембриджа — Гарвардский университет и Массачусетский технологический институт (MIT). А за рекой — штаб-квартиры крупных компаний. Тех самых, что хотят заработать на мечтах ученых, когда они воплотятся в жизнь.

«Они хотят все и сразу. Думают, что ученые возьмут и одним махом перепрыгнут через реку, — говорит Носера. — Но так быстро дела в науке не делаются». Профессор Носера просит бизнесменов потерпеть. Ведь речь идет о задаче глобального масштаба, успешное решение которой разом устранит все энергетические и экологические проблемы. Цель профессора и его команды — смоделировать фотосинтез, то есть превращение солнечного света в химическую энергию. Это «умеет» любое растение. Для человечества же воссоздание фотосинтеза будет эпохальным событием. «Но для этого нужно время. Чтобы перебраться через реку, надо сначала установить опоры для будущего моста, а потом и построить его», — философствует профессор Носера.

Что ни говори, а сама природа уже построила для человечества довольно длинный мост, потратив на уникальную разработку почти миллиард лет. Волшебный — иначе не скажешь — механизм по переработке солнечной энергии запущен давным-давно. Клетки растений поглощают энергию квантов света и накапливают ее в виде органических веществ по меньшей мере уже 2,7 миллиарда лет. От этого универсального процесса, протекающего в зеленых листьях, зависит буквально все живое. Почти все, чем питаются люди и животные, появилось на свет благодаря фотосинтезу. Даже энергия, потребляемая человечеством, по большей части — продукт фотосинтеза. Древние морские организмы когда-то вымерли, а доисторические леса окаменели под тяжестью верхних слоев земли. Прошли миллионы лет, и они вновь ожили  — в виде угля и нефти. Двигатели работают на бензине, электростанции сжигают топливо. Все это — благодаря растениям, превратившим солнечный свет в соединения углерода, заряженные энергией.

Фотосинтез протекает на свету. Если собрать энергию Солнца, которую Земля получает всего за один час, то этого заряда хватит человечеству почти на год. Зачем тогда сжигать ископаемое горючее? Не лучше ли использовать мощнейший механизм, породивший жизнь на Земле?

Дело за малым: осталось лишь сконструировать этот механизм.

Идеей искусственного фотосинтеза загорелся не только профессор Носера. В Великобритании запущен проект «Искусственный лист», США на аналогичные разработки тратят сотни миллионов долларов. Оптимисты надеются, что амбициозная цель будет достигнута уже лет через десять. Носера осторожен в прогнозах: «Не надо торопиться». Ведь не одно поколение ученых билось над зелеными листьями, прежде чем смогло полностью расшифровать процесс фотосинтеза. Он проходит в три этапа: поглощение солнечной энергии, расщепление молекул воды, синтез органических веществ. Причем энергия света передается по принципу домино.

Что делать, чтобы заработал искусственный фотосинтез? Если исходить из принципа домино, то схема работает так (см. рисунок на стр. 60). Первая «костяшка домино» — молекулы, поглощающие свет. Лучше всего это делают пигменты. Кванты света, поглощенные пигментами, приводят электроны в возбужденное состояние и высвобождают их из молекул. Это хорошо видно на примере зеленого пигмента хлорофилла, который содержится в листьях растений. Он поглощает «световые частицы» и передает заряженные энергией электроны дальше по цепи.

Так начинается фотосинтез. Теперь настает черед следующей «костяшки», запускающей процесс расщепления воды. На этом этапе на электронные «дырки» в пигменте ставятся «заплатки» из электронов с низкой энергией. «Донором» этих электронов становится вода, которая распадается на составные элементы: кислород + электроны + ионы водорода (протоны). Кстати, протоны важнее всего на третьем этапе, когда растения приступают к синтезу органических соединений (углеводородов). Электроны, отданные пигментом, и протоны, образовавшиеся из воды, направляют свою энергию на соединение с углекислым газом из воздуха. В итоге образуется глюкоза — источник энергии для всех живых организмов.

Над воссозданием фотосинтеза в лаборатории работает уже новое поколение исследователей, которые сосредоточены главным образом на первом и втором этапах цепочки реакций. «Мы на верном пути», — утверждает Носера. Профессор занимается расщеплением воды и намерен получить водород в качестве экологически чистого энергоносителя. Но ему все равно не обойтись без поддержки коллег: кто-то из них должен толкнуть первую «костяшку домино», то есть «собрать» свет. Например, при помощи новейших солнечных батарей. Прежние модели не годятся, нужны более универсальные и эффективные разработки.

Первые фотоэлементы на основе кристаллического кремния появились еще в 1950-х годах. Они могут превращать солнечный свет в электричество, поскольку электроны кремния заряжаются на свету энергией. Так возникает электрический ток, который зажигает лампочки и заставляет работать стиральные машины. Но, как ни совершенствуй эту технологию, производство кристаллического кремния все равно остается делом хлопотным и дорогостоящим. Кроме того, при слабом свете кремний совсем не годится. Так что на кремниевых фотоэлементах далеко не уедешь. Какой уж тут скачок в будущее...

Как же поймать солнечные лучи?

Ловец квантов

Швейцарские студенты экспериментируют в лаборатории Федеральной политехнической школы Лозанны, замешивая пасту из белого порошка — диоксида титана. Такие белила обычно добавляют в зубную пасту. Затем юные экспериментаторы наносят пасту на стеклянную пластину и сбрызгивают красным чаем, заваренным на лепестках мальвы. Следующий слой — жидкий раствор электролита, создающий необходимую среду для электрического тока. Первая подложка готова. Теперь над ней устанавливают вторую, тоже стеклянную, но покрытую графитом, у которого высокая электропроводность. Получается цветочувствительная солнечная батарея, которая называется «ячейка Гретцеля» — в честь ученого, потратившего на ее создание почти всю свою сознательную жизнь.

«Видите, нашу батарейку уже мастерят на уроках», — радуется автор изобретения. Профессор-химик Михаэль Гретцель возглавляет лабораторию в Федеральной политехнической школе Лозанны. Недавно он стал лауреатом премии «Технология тысячелетия», аналога Нобелевской премии для инженеров. Все началось 20 лет назад, когда Гретцель заинтересовался одним полупроводником — титановыми белилами, растертыми в порошок. Как известно, полупроводники проводят электричество только при заданных условиях. Гретцель разработал метод измельчения титановых белил до мельчайших частиц, размер которых не превышает 20—30 нанометров. Они становятся такими мелкими, что водный раствор с порошковыми белилами остается прозрачным.

Гретцель добавил в белила натуральные красители вроде тех, что содержатся в ягодах и лепестках цветов, — они хорошо собирают солнечные лучи. Затем выставил тонкий слой полученной смеси на свет. Тут-то его и ждал сюрприз. На свету электроны пришли в возбужденное состояние и в доли секунды переместились из красителя в белила. Наночастицы диоксида титана впитали дополнительную энергию как губка. Гретцель подвел к белилам электрический провод — и вот уже возник постоянный ток. Это стало первым шагом на долгом пути к созданию новейшей технологии.

Возможно, Гретцель создал будущее человечества. Мелкий порошок действительно может стать основой солнечной энергетики. «Ячейка Гретцеля», в отличие от кремниевых панелей, «имитирует самый настоящий фотосинтез». Ученый с гордостью отмечает: «Никаких дорогих кристаллов, только самый обычный краситель. Его молекулы поглощают свет точно так же, как зеленые листья». Полученный от света электрический заряд передается через белила на провода, подключенные к электроприборам.

Новейшие «ячейки Гретцеля» способны перерабатывать более 11 процентов солнечной энергии. Конечно, по мощности они вдвое уступают лучшим современным панелям из кристаллического кремния. Но выращивание кремниевых кристаллов почти стопроцентной чистоты — дорогостоящее занятие. А светочувствительные батарейки может сделать даже школьник, причем из экологически чистых материалов. Кроме того, они почти не ломаются. «Наши прозрачные ячейки прекрасно подойдут для стеклянных фасадов, — дает волю фантазии Михаэль Гретцель. — А полученное с их помощью электричество можно использовать для подзарядки батарей, а значит, и для современных гибридных автомобилей. Тогда большая часть городского транспорта переключится на энергию Солнца».

Гретцель не испытывает особых иллюзий: «До промышленных масштабов пока далеко. Солнечная энергетика еще не достигла такого уровня мощности». Человечество сейчас потребляет около 15 ТВт, причем на долю фотовольтаики пока приходится не более одной тысячной от этого объема. Тераватт (1 ТВт) соответствует 1012 Вт.

Тем не менее Гретцель, как и многие его коллеги, «абсолютно уверен»: уже в скором будущем солнечная энергетика сможет покрыть четверть мировой потребности в электрической энергии. Если, конечно, человечество найдет эффективный способ хранения солнечной энергии. Дело в том, что у всех солнечных батарей есть один недостаток — выработанная ими энергия пригодна только для непосредственного использования. А чтобы расходовать солнечную энергию по мере необходимости, нужен накопитель. Поэтому дальнейший успех «ячейки Гретцеля» зависит от ученых, моделирующих второй этап фотосинтеза. Разложение воды на составные элементы поможет сохранить собранную световую энергию рядом с коллектором — в виде водорода. Так, как это делает в США друг Михаэля Гретцеля — Дэниел Носера.

Разделитель воды

Весной 2008 года профессор Носера, забросив прогулки по набережной, с головой уходит в эксперименты. Он еще не подозревает, что эти дни, проведенные в лаборатории МIT, кардинально изменят его научную карьеру. Дни напролет химик-экспериментатор наблюдает за темной жидкостью в стеклянном сосуде, отмечая, как на ее поверхность поднимаются из глубины мелкие пузырьки газа. А ведь Носера просто-напросто налил в сосуд грязной воды из реки и опустил в него два электрода. Потом добавил туда недавно «открытое» им вещество и подключил ток. И вот уже вода пузырится на поверхности, предвещая скорую победу альтернативной энергетики. У одного электрода концентрируются пузырьки кислорода, у второго — водорода (см. рисунок на стр. 61 журнала).

Так повторяется не один раз. Увлекшийся экспериментом ученый забывает про все на свете. Жена даже начинает беспокоиться за него. Малоаппетитная на вид вода с газовыми пузырьками — настоящий научный прорыв. Дэниел Носера нашел простой и общедоступный способ разделения воды на составляющие элементы. А значит, производство водорода, считай, уже у него в кармане.

Когда научная карьера Носеры только начиналась, ни биологи, ни химики не понимали, как растительным клеткам удается расщеплять воду. Было известно лишь одно: существует некий фермент, который разделяет молекулы воды на кислород, ионы водорода (протоны) и свободные электроны. Если при этом есть источник энергии, разумеется. Носера как химик заинтересовался этим фантастическим окислительно-восстановительным процессом, основанным на «балете электронов и протонов».

Он потратит не один год, выясняя все детали. Будет анализировать состав всей химической системы, искать оптимальное для реакции вещество. В поисках новых катализаторов Носера изучит множество химических соединений. Без них никак не обойтись: эти вещества ускоряют скорость химических реакций, так сказать, подстегивают заряженных электричеством «балерин». Ни один из катализаторов, известных на тот момент, для расщепления воды не годится — все они либо слишком дороги, либо инертны, либо могут использоваться только в экстремальных условиях. Что же это за катализатор, который расщепляет воду не хуже натурального фермента?

Носера проводит серию экспериментов. И обнаруживает, что водный раствор со смесью кобальта и фосфата ускоряет движение заряженных частиц, как только ток проходит через электроды, опущенные в воду. «Действуя в паре», эти вещества, по выражению Носеры, «творят чудеса». Они оседают на электродах, образуя тонкую пленку, а их функция имеет ошеломляющее сходство с механизмом фотосинтеза.

Фосфатно-кобальтовая смесь выгодно отличается от других катализаторов. Дело не только в ее эффективности и дешевизне по сравнению с другими катализаторами, например диоксидом иридия. Этот материал, который ценится на вес золота, считался раньше лучшим катализатором электролиза воды. Дэниел Носера не устает восхищаться главным свойством своего детища — способностью к бесконечной регенерации. Он с гордостью заявляет: «Такой устойчивый катализатор получен впервые».

И действительно: как только серая катализаторная пленка на электроде спустя некоторое время начинает крошиться, на ее месте тут же образуется новый фосфатно-кобальтовый слой. Такая способность к «самоизлечению» ценна вдвойне, ведь остальные катализаторы рано или поздно теряют свои свойства.

На их фоне смесь, полученная Носерой, похожа на вечный двигатель. «Электроды с пленкой из нашего катализатора проработали два месяца подряд. Причем мы пропускали через них воду, взятую прямо из реки Чарльз. Процесс разложения воды в начале и в конце эксперимента был одинаково эффективным».

И с грязной речной водой все получилось? «Да, получилось!» — отвечает ученый. И никакого осадка не было. Регенерация катализатора происходит так быстро, что ни бактерии, ни водоросли не успевают осесть на электродах. Отличное изобретение: вода из лужи становится топливом. Да еще каким! Водород легко транспортировать, а накопленную в нем энергию можно извлечь с помощью так называемых топливных элементов. Для этого достаточно запустить обратный химический процесс — снова соединить водород с кислородом, превратив их в воду. Более экологичное топливо трудно себе представить.

В конце марта 2011 года Дэниел Носера заявляет: недостающее звено найдено. Берется обычная кремниевая пластина. На одну из ее сторон наносится слой катализатора, ускоряющего разложение воды. На другую — новый сплав, преобразующий полученные при этом ионы в водород. Пластину опускают в стакан с водой и ставят его на солнце. И все — «искусственный лист», выделяющий на свету сразу и водород, и кислород, готов. Правда, для сбора света все равно нужен дорогой кремний.

Между тем выясняется, что появилась еще одна новейшая разработка. Известие будоражит все научное сообщество, специализирующееся на искусственном фотосинтезе. Оказывается, по соседству, на одном из факультетов MIT, сослуживице Носеры удалось соединить первые два этапа фотосинтеза.

Она ухитряется «собрать» свет и расщепить воду в... одном вирусе.

Наносборщица

1997 год. Молодая исследовательница Анджела Белчер, воскликнув «Эврика!», от радости запрыгивает на стол. Она только что закончила кандидатскую диссертацию про брюхоногих моллюсков из рода абалон, или галиотис. Точнее, работа была про «домики» улиток. Анджеле Белчер не давал покоя вопрос: «Почему у них такие разные раковины?» Ведь исходный неорганический материал у всех видов один и тот же — кальций. Белчер удается выяснить, что моллюски вырабатывают свои собственные белки, характерные только для отдельного вида. Они-то и отвечают за конечную кристаллическую структуру «домика». Белчер идет еще дальше: почему бы не вырастить такую структуру «на заказ» — из других материалов? Но прежде надо подать заявку на грант для финансирования экспериментального проекта. Коллеги сочли, что Белчер «или чокнутая, или гений». И вот спустя два года она держит в руках ключ к новому открытию. Ее помощниками оказались концентраты «живых белков» — вирусы.

Точнее, один-единственный «наноинструмент» — нитевидный вирус M13. Снаружи он покрыт многочисленными белковыми жгутиками, похожими на молекулярные зонды. М13 поражает бактерии, присасываясь к ним этими самыми жгутиками.

Белчер погружается в генную инженерию. Она выращивает вирусы, модифицируя их генетический материал по принципу случайности. Получаются миллиарды экземпляров, из которых нужно отобрать редкие мутации вирусов, жгутики которых реагируют не на бактерии, а на конкретные неорганические вещества. И в 2004 году Белчер это удается. Она создает своеобразные нанопровода — мельчайшие электропроводные цепочки, состоящие из молекул. В 2010 году происходит еще более важное событие: Белчер воссоздает в пробирке первые два этапа фотосинтеза. Причем фотофизический и фотохимический процессы превращаются в одно целое.

Началось все с того, что Белчер «прокатила» миллиарды вирусов М13 по поверхности, состоящей из диоксида иридия. Это тот самый дорогой катализатор для расщепления воды. Расчет простой: вирусы, жгутики которых реагируют на молекулы катализатора, прилипнут к его поверхности. Так и случилось: нужные экземпляры вскоре нашлись. Их размножили и «доработали» снаружи, присоединив к ним с помощью химической реакции цинко-порфирин. Это ближайший родственник хлорофилла. Теперь вирус с виду напоминал магнит с прилипшей железной стружкой — его со всех сторон облепили частицы пигмента и катализатора. Пигмент отвечал за поглощение света (фотофизический этап), а катализатор — за расщепление воды (фотохимический этап). «Костяшки домино» как бы склеились. Ничто не мешало плодотворному процессу искусственного фотосинтеза. Совсем как в настоящих листьях. И процесс пошел!

Когда Белчер помещает вирусный раствор на свет, действительно начинается расщепление воды. На поверхности жидкости лопаются пузырьки, как во время экспериментов Носеры. Электроны цинко-порфирина заряжаются квантами света и тут же под действием диоксида иридия подключаются к химической реакции, в результате которой образуются кислород и водород. Изобретение пока существует только в экспериментальном виде — слишком дорог катализатор. Есть еще одно «но» — при разложении воды из раствора выделяется один только кислород. Все, как при настоящем фотосинтезе. Но в природе после выделения кислорода от бывших молекул воды тоже остаются половинки — в виде ионов водорода (протонов). Нужно соединить их между собой, и тогда получится полноценное водородное топливо.

Придется решать и эту головоломку, но Анджела Белчер только улыбается. У нее бывают проблемы и посерьезнее — она с детства страдает дислексией. Чтение и письмо даются нелегко, но, с другой стороны, у дислексии есть и свои плюсы. «Неординарное мышление и замысловатые решения рано или поздно приводят к успеху», — считает Белчер.

Что и требовалось доказать

Наверное, Анджела Белчер и установила те самые опоры для моста в будущее. Или Дэниел Носера? А может, Михаэль Гретцель? Или это их общая заслуга?

Увы, построить новый мир, живущий за счет гелиоэнергетики, не так-то просто. Дело не только и не столько в техническом прогрессе — для начала нужна «революция в головах». «Современный мир зиждется на технологии столетней давности!» — сокрушается Носера. Новейшим технологиям трудно пробивать себе дорогу. Какая может быть гелиоэнергетика, если на рынке полно дешевой нефти?

Даже те ученые, которые не занимаются напрямую проблемой искусственного фотосинтеза, признают: у этой технологии самый большой потенциал роста. Но у профессора Носеры нет никакого желания бороться с барьерами в чужих головах. «У нас на это просто нет времени. Ни я, ни мои коллеги не собираемся никого переубеждать в том, что пора пересмотреть свой образ жизни», — отмахивается ученый. Он уверен, что будущее — за развивающимися странами. Установки по расщеплению воды должны быть настолько дешевыми, чтобы солнечное электричество появилось даже в самых бедных странах. Носера уверен в успехе: «Там нет линий электропередачи. И поэтому людей не придется долго уговаривать. Вот вам солнце, вот энергия, вот водород — берите и пользуйтесь, не пожалеете». Пусть искусственный фотосинтез появится в каждом доме!

Профессор не сомневается, что так все и будет: «Настанет день, когда граждане развитых стран опомнятся, посмотрят на бедных соседей и удивятся. Надо же, эти африканцы, оказывается, пользуются «искусственными листьями» — и в городах, и в селах. Вот тогда кому-то точно станет завидно!»

26.09.2011