Зелёные технологии
Green Technology
Академик Олег Фиговский (Израиль), автор книги “Green Nanоtechnology (USA, 20170) и Валерий Гумеров (Российская Федерация)
Ключевые слова: экологически чистые инновации, зелёная химия и энергетика, альтервитальная цивилизация.
Key world: Environment friendly innovations, Green chemistry and energy, Alter Vitae Civilization.
Абстракт: Согласно классификации ОЭСР «зелёные технологии» охватывают многие сферы народного хозяйства, такие как энергетика, промышленное производство и сельское хозяйство. Обзор содержит примеры новых инновационных решений в области зелёных технологий.
Abstract: According to the OECD classification green technology enclose a lot of branches of national economy such as energy, industry and agriculture. Current review consist examples of novel innovative decision in the area of green technologies.
Как было замечено нами ранее, в наши дни мощным фактором, давшим новый толчок прогрессу в направлении растущих потребностей человечества, стало распространение цифровых технологий: 3D-моделирования, 3D-сканирования, объёмной печати и роботизации. Но для того, чтобы инновационный продукт органично вписался в многомерное пространство будущего, на современном этапе развития общества на первый план выходит экологическая составляющая любой инновации, то есть инновация, помимо всего прочего, должна быть экологически приемлемой. По оценкам многочисленных экспертов экологические технологии, в просторечии называемые «зелёными технологиями», станут лидирующими в развитии мирового хозяйства в XXI веке. Заключения экспертов не на пустом месте появились – в последние годы в условиях реализации стратегии экологически ориентированного роста «зелёные технологии» в цивилизованном мире развиваются ускоренными темпами. Важнейшими стимулами роста служат различные меры государственной политики, а также новые возможности, открывающиеся перед бизнесом на экологическом рынке, который быстро растёт под влиянием спроса со стороны потребителей.
Смена технологической парадигмы и диверсификация производства в сторону малозатратных, малоотходных, малотоксичных «зелёных технологий» произошла в конце XX века и коснулась практически всех, как уже существующих, так и только разрабатываемых технологий. В связи с этим в развитых странах граждане вместе с правительствами ставят задачу и принимают программы национального и интернационального характера по защите окружающей среды и человека от него самого, осознав, что пришло время спасать планету от нас самих, неразумно, избыточно эксплуатирующих и нагружающих природу. Ответом на эти вызовы явилось новое направление науки и практики под названием «зелёные технологии».
Стоит отметить, что не существует единого определения понятия «зелёных» или экологически чистых технологий. Общий подход предполагает достижение их главной цели – снижение негативного воздействия на окружающую среду путём сокращения объёмов потребляемых ресурсов, уменьшения количества отходов вплоть до их полного возврата в производство посредством глубокой переработки, использования в производственных процессах механизмов и принципов, «работающих» в природе, повышения энергоэффективности производства и быта, улучшения свойств материалов с позиции экологической безопасности.
Согласно классификации Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), «зелёные технологии» охватывают следующие сферы:
— общее экологическое управление (управление отходами, борьба с загрязнением воды, воздуха, восстановление земель);
— производство энергии из возобновляемых источников (солнечная энергия, биотопливо и другое), смягчение последствий изменения климата, снижение вредных выбросов в атмосферу, повышение эффективности использования топлива, а также энергоэффективности зданий и бытовых приборов.
Если развернуть эту сжатую формулу, то получим, что «зелёные технологии» по существу охватывают все области деятельности человека и нацелены на:
— устойчивое развитие современного общества для блага будущих поколений с решением глобальных задач: предотвращение истощения ресурсов, налаживание разумного природопользования, улучшение демографии, исключение токсичности производства;
— производство нетоксичных продуктов по замкнутому циклу: производство – утилизация – новое производство (от рождения до рождения – «cradle to cradle», вместо нынешнего «grave to grave» – от могилы до могилы);
— максимальное, вплоть до нуля, сокращение отходов за счёт инноваций в технологиях и в структуре потребления;
— принципиальную модификацию вредных производств и замену их на безвредные с использованием естественных технологий, созданных природой за миллионы лет;
— замена не возобновляемых природных ресурсов на альтернативные возобновляемые источники сырья и энергии;
— исключение использования вредных синтетических химикатов в сельском хозяйстве, внедрение биотехнологий в земледелие, животноводство и переработку сельхозпродукции.
В настоящее время «зелёные технологии» внедряются во всю цепочку деятельности компаний, включая, помимо производства, потребление, менеджмент и методы организации производства, во имя решения глобальных задач по устойчивому развитию современного и будущего общества, а именно:
— модификация и замена вредных производств;
— развитие новых альтернативных видов энергии и новых видов топлива;
— поиск новых подходов к безопасной и доступной пище и воде;
— защита от загрязнения атмосферы, почвы, пресной воды и мирового океана;
— разумное регулирование демографии.
В целом ряде развитых стран действуют масштабные государственные планы и программы стимулирования разработки экологических технологий и инноваций, создаются специальные исследовательские центры и фонды. Значительным стимулом развития «зелёных технологий» служат стандарты, налоги, субсидии и другие меры государственной политики. Множество программ, направленных на поощрение развития природоохранных технологий, действует в США, а в ЕС в соответствии с седьмой рамочной программой научно-технологических мероприятий в 2007-2013 годы на развитие экологически чистых технологий было затрачено 10 млрд. евро.
Тенденцией последних лет становится повышенное внимание к экологическим технологиям со стороны быстроразвивающихся стран. Например, значительные суммы на их разработку выделяются в Китае и Индии. В Китае действуют более 1600 государственных инкубаторов и научных парков, большинство из которых вовлечены в проекты по разработке экологически чистых технологий. Благодаря этому Китай занимает одну из лидирующих позиций в мире по патентам в шести основных областях, включая ветровую энергетику, производство биотоплива и экологически чистое использование угля.
Основная часть «зелёных технологий» сосредоточена в относительно небольшом числе стран, при этом разные страны специализируются на тех или иных видах технологий. Технологии по борьбе с водным и воздушным загрязнением, по управлению отходами активно развиваются в странах Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР): в Австралии – по борьбе с загрязнением воды, в Дании – по возобновляемой (в первую очередь ветровой) энергетике, в Германии – по борьбе с загрязнением воздуха, в Испании – по солнечной энергетике. Значительный прогресс в разработке «зеленых технологий» отмечается также в странах БРИИКС: Бразилия, Россия, Индия, Индонезия, Китай, ЮАР разрабатывают технологии по управлению отходами, контролю над загрязнением воды и возобновляемой энергетике.
Важную роль в проведении научных исследований и разработок в сфере «зелёных технологий» играют частные компании (включая малый и средний бизнес), которые рассматривают их в качестве возможности повысить эффективность производства и, как следствие, свои конкурентные преимущества. Значительную активность в этой области проявляют венчурные компании. Один из основных показателей развития «зелёных технологий» – патентная активность. В 2000-е годы значительный рост демонстрировали технологии по смягчению последствий изменения климата. Наибольшими темпами увеличивалось число патентов в сфере возобновляемой энергетики и контроля над загрязнением воздуха. Так, по сравнению с 1997–1999 годами число патентов в сфере солнечной энергетики выросло в три раза. Намного медленнее растёт число патентных заявок в области хранения энергии и переработки материалов. В изобретательской деятельности в области производства энергии из возобновляемых и не ископаемых источников по-прежнему лидируют европейские страны: в конце 2000-х годов на них приходилось 37 % патентов в этой сфере, за ними следовали США и Япония. Китай в этом виде патентов занял восьмое место. В отдельных сферах основными разработчиками выступают другие страны. Например, США имеют ведущие позиции по числу патентов в области производства электрических и гибридных автомобилей, Нидерланды – по энергоэффективности в зданиях и осветительных приборах.
«Зелёные технологии» – это яркое проявление современного тренда эффективности междисциплинарного подхода для решения сложных задач. Они не заменяют, а соединяют экологию, экономику, социальную технологию, основываясь на всех современных достижениях науки и техники. Пример тому «зелёная химия».
Научное направление под названием «зелёная химия» возникло в 90-х годах ХХ века и стало приоритетным направлением развития химии и экономики всего мира. Впервые этот термин ввёл доктор Пол Анастас из Йельского университета в 1991 году. Стоит заметить, что «зелёная» химия – это не раздел химии, а новый способ мышления в химии, при том многие ошибочно считают, что «зелёная химия» и экология – это одно и то же. Разница в том, что конечная цель «зелёной химии» – поиск безопасных с точки зрения химии и экологии способов деятельности общества во всех аспектах: от процессов производства и использования энергоресурсов до выполнения ежедневной домашней работы.
Специфические особенности «зелёной химии» нашли своё отражение в 12-ти принципах, сформулированных Полом Анастасом и Джоном Уорнером.
1. Лучше исключить выбросы, чем потом затрачиваться на дорогостоящую утилизацию, очистку, уничтожение.
2. Стратегия синтеза новых веществ должна быть построена таким образом, чтобы все вещества максимально вошли в состав конечного продукта.
3. Максимально исключать использование в производстве токсичных веществ и получение в результате производства токсичных продуктов.
4. Выбор химических продуктов должен максимально повышать их эффективность и снижать токсичность.
5. Минимально использовать органические растворители и вредные вспомогательные вещества.
6. Преимущественно использовать процессы при температуре окружающей среды и атмосферном давлении.
7. Переходить к возобновляемому сырью.
8. По возможности при синтезе новых материалов и их модификации избегать получения промежуточных продуктов.
9. По возможности переходить от классических затратных стехиометрических реакций к селективным каталитическим.
10. По возможности производимые продукты должны быть биологически разлагаемы, т.е. не накапливаться в окружающей среде.
11. Аналитический контроль производства для предотвращения образования вредных веществ.
12. Технологии должны исключать утечку, пожары, взрывы, несчастные случаи.
Если кратко, то «зелёная химия» развивается в следующих направлениях:
— новые принципы синтеза,
— использование возобновляемых источников сырья, реагентов, материалов,
— замена традиционных органических растворителей.
При этом новые схемы химических реакций и процессов, которые сейчас разрабатываются в научных лабораториях, должны обеспечить экологическую безопасность общества, снижение ущерба окружающей среде и искоренение бедности, поскольку планомерное следование принципам «зелёной химии» позволяет в конечном итоге снижать затраты на производство.
В мире присуждаются награды и премии за заслуги в области развития «зелёной химии», что, несомненно, свидетельствует о внимании к этой проблеме. В частности, премию президента США Presidential Green Chemistry Challenge Award присуждают за инновационные решения, учитывающие интересы окружающей среды, причём независимо от того, президент какой партии находится у власти. Статус премии предусматривает выдающиеся заслуги отдельных специалистов и организаций в области исследования, развития и внедрения наиболее перспективных направлений технологии «зелёной химии».
В 2015 году премию Presidential Green Chemistry Challenge Award получили американская компания Nanotech Industries, Inc. и израильская компания Polymate Ltd. за разработку и освоение производства неизоцианатных полиуретанов и гибридных материалов на их основе. Специалистами израильской компании Polymate Ltd. была впервые создана промышленная технология получения покрытий, монолитных полов и вспененных полиуретанов, не содержащих токсичных и канцерогенных изоцианатов на всех стадиях технологического процесса. Отмеченная наградой работа была выполнена под руководством автора книги, в то время директора по науке и развитию компании Polymate Ltd, профессора Олега Фиговского. В сообщении о получении премии было отмечено: «As a recipient of this prestigious award, you are distinguished at the national level as in innovator in green chemistry».
В процессе разработки «зелёной технологии» производства покрытий, монолитных полов и вспененных полиуретанов, не содержащих токсичных и канцерогенных изоцианатов, компания Polymate Ltd. разработала несколько новейших технологий, защищённых более 10 патентами США, Европы и Канады. Неизоцианатные полиуретаны получают по реакции олигомерных циклокарбонатов, в том числе на основе растительных масел и олигомерных первичных аминов. Такие полиуретаны обладают высокой прочностью, ударо- и износостойкостью, а также гидролитической стабильностью. Этой же компанией разработана оригинальная технология наноармирования твёрдых материалов (металлов, полимеров, керамики) уникальным методом суперглубокого проникновения. Тематика экологически безопасных (Environment Friendly) промышленных нанотехнологий является основной тематикой исследований Международного нанотехнологического исследовательского центра «Polymate» (Израиль), создавшего более десяти таких технологий, защищённых патентами США.
Создание полиуретанов без ядовитых изоциананатов, отмеченное премией президента США Presidential Green Chemistry Challenge Award – отражение нынешнего тренда «зелёной химии»: «Не вместо, а вместе!», что означает разумное применение достижений современной химии вкупе с уже созданными природой технологиями и компонентами.
Среди современных сфер разработки «зелёных технологий» ключевой является энергетика. Основные направления её «экологизации» – повышение энергоэффективности и развитие новых источников энергии, в первую очередь альтернативных.
В то время как большинство концепций альтернативной энергетики не новы, только за последние несколько десятилетий этот вопрос стал, наконец, актуальным. Благодаря совершенствованию технологий производства энергии, стоимость большинства форм альтернативной энергии понижалась, в то время как эффективность росла. Как и со многими другими техническими понятиями имеют место быть некоторые споры касательно того, что означает «альтернативная энергия» и к чему этот термин можно применить.
С одной стороны, этот термин можно отнести к формам энергии, которые не приводят к увеличению углеродного следа человечества. Поэтому он может включать ядерные объекты, гидроэлектростанции и даже природный газ и «чистый уголь».
С другой стороны, этот термин также используется для обозначения того, что в настоящее время считается нетрадиционными методами энергетики ‒ энергии солнца, ветра, геотермальной энергии, биомассы и других способов получения энергии. Такого рода классификация исключает такие методы добычи энергии, как гидроэлектростанции, которые существуют больше сотни лет и представляют собой довольно распространённое явление в некоторых регионах мира.
Другой фактор в том, что альтернативные источники энергии должны быть «чистыми», не производить вредных загрязняющих веществ. Как уже отмечалось, это подразумевает чаще всего углекислый газ, однако может относиться и к другим выбросам ‒ угарному газу, двуокиси серы, окиси азота и другим. По этим параметрам ядерная энергия не считается альтернативным источником энергии, поскольку производит радиоактивные отходы, которые высокотоксичны и должны храниться соответствующим образом.
Во всех случаях, однако, этот термин используется для обозначения видов энергии, которые придут на смену ископаемому топливу и углю в качестве преобладающей формы производства энергии в ближайшее десятилетие.
Строго говоря, существует много видов альтернативной энергии. Опять же, здесь определения заходят в тупик, потому что в прошлом «альтернативной энергетикой» называли методы, использование которых не считали основным или разумным. Но если взять определение в широком смысле, в него войдут некоторые или все эти пункты:
Гидроэлектроэнергия. Это энергия, вырабатываемая гидроэлектрическими плотинами, когда падающая и текущая вода (в реках, каналах, водопадах) проходит через устройство, вращающее турбины и вырабатывающее электричество.
Ядерная энергия. Энергия, которая производится в процессе реакций замедленного деления. Урановые стержни или другие радиоактивные элементы нагревают воду, превращая её в пар, а пар крутит турбины, вырабатывая электричество.
Солнечная энергия. Энергия, которая получается напрямую от солнца: фотовольтаические ячейки (обычно состоящие из кремниевой подложки, выстроенные в крупные массивы) преобразуют лучи солнца напрямую в электрическую энергию. В некоторых случаях и тепло, производимое солнечным светом, используется для производства электричества, это известно как солнечная тепловая энергия.
Энергия ветра. Энергия, вырабатываемая потоком воздуха: гигантские ветряные турбины вращаются под действием ветра и вырабатывают электричество.
Геотермальная энергия. Эту энергию вырабатывает тепло и пар, производимые геологической активностью в земной коре. В большинстве случаев в грунт над геологически активными зонами помещаются трубы, пропускающие пар через турбины, таким образом вырабатывая электричество.
Энергия приливов. Приливное течение у береговых линий тоже может использоваться для выработки электричества. Ежедневное изменение приливов и отливов заставляет воду протекать через турбины назад и вперед. Вырабатывается электроэнергия, которая передаётся на береговые электростанции.
Биомасса. Это относится к топливу, которое получают из растений и биологических источников ‒ этанола, глюкозы, водорослей, грибов, бактерий. Они могли бы заменить бензин в качестве источника топлива.
Водород. Энергия, получаемая из процессов, включающих газообразный водород. Сюда входят каталитические преобразователи, при которых молекулы воды разбиваются на части и воссоединяются в процессе электролиза; водородные топливные элементы, в которых газ используется для питания двигателя внутреннего сгорания или для вращения турбины с подогревом; ядерный синтез, при котором атомы водорода сливаются в контролируемых условиях, высвобождая невероятное количество энергии.
Во многих случаях альтернативные источники энергии также являются возобновляемыми. Тем не менее, эти термины не полностью взаимозаменяемы, поскольку многие формы альтернативных источников энергии полагаются на ограниченный ресурс. К примеру, ядерная энергетика опирается на уран или другие тяжёлые элементы, которые необходимо сначала добыть.
В то же время ветер, солнечная, приливная, геотермальная и гидроэлектроэнергия полагаются на источники, которые полностью возобновляемые. Лучи солнца ‒ самый изобильный источник энергии из всех и, хоть и ограниченный погодой и временем суток, является неисчерпаемым с промышленной точки зрения. Ветер тоже никуда не пропадает, благодаря изменениям давления в нашей атмосфере и вращению Земли.
В настоящее время альтернативная энергетика все ещё переживает свою юность. Но эта картина быстро меняется под влиянием процессов политического давления, всемирных экологических катастроф (засух, голода, наводнений) и улучшений в технологиях возобновляемых энергий. Не последнюю роль в ускоренном развитии альтернативной энергетики в наше время играет энергетический кризис.
Энергетический кризис, в котором находится человечество, имеет две причины. Первая – ограниченность существующих ископаемых энергоносителей. Вторая – загрязнение окружающей среды. И если первая из этих причин носит скорее геополитический характер, чем является реальной нехваткой природных углеводородов на сегодняшний день (разведанных запасов нефти, даже с учетом бурного роста потребления в Азии хватит как минимум на 30-40 лет, природного газа на 80 лет, угля не менее чем на полтора века), вторая грозит возможными катаклизмами (ураганами, изменениями направления океанских течений, таянием льдов, изменением состава атмосферы, глобальным потеплением и изменением климата) в самом ближайшем будущем. При этом возможность фазовых переходов (то есть таких, при которых малые изменения параметров влекут за собой глобальные последствия) отнюдь не исключена – а каковы критические значения параметров и когда наступят скачкообразные изменения, никто не знает.
Причина глобальных катаклизмов, как грядущих, так и уже наступающих, лежит в самом характере человеческой цивилизации, которая не вписывается и не пытается вписываться в структуру окружающего мира. Вплоть до XIX века люди жили в несравненно большем балансе с природой, чем после промышленной революции. Природа за миллионы лет создала технологии производства всего того, что необходимо человеку для пребывания в этом мире (иначе б мы тут не жили), но нам ведь надо побыстрее и попроще, чтоб стало побольше да подешевле при наращивании объёмов производства и продаж, да ещё и с нужными потребительскими свойствами. Природные технологии по нашему разумению, точнее было бы сказать – недоразумению – чересчур неспешные и заумные, нам невдомёк, мы не хотим выбирать два из трёх: «быстро, дёшево, вкусно» – нам все сразу подавай. Как результат, сегодня множество производств и все возрастающее накопление самых разнообразных отходов делают глобальный дисбаланс цивилизации и природы неизбежным. Энергетика XXI века вносит в дестабилизирующие процессы громадный вклад. Так, в Калифорнии выброс парниковых газов в атмосферу автомобилями составляет приблизительно половину от общего выброса. Изобретение паровой машины, а затем двигателя внутреннего сгорания с возможностью превращения энергии пара в электрическую в тысячи раз увеличили количество сжигаемых углеводородов и одновременно – выбрасываемых в атмосферу продуктов сгорания. В этом смысле путь от пожара в лесу до локализации огня человеком (на котором можно было жарить еду, обжигать горшки, который отпугивал хищников, обогревал помещения) длиннее, чем от костра в пещере до двигателя автомобиля, а идея-то, в сущности та же.
Есть ли у цивилизации какой либо иной путь? В 2004 году была выдвинута концепция «Альтервитальной Цивилизация» (от латинского Altera Vitae, другая жизнь). Был поставлен общий вопрос: возможна ли цивилизация, которая не нарушала бы баланса биоценоза с природой и была бы полностью, или почти полностью, безотходной? На этот важнейший стратегический вопрос в принципе был дан положительный ответ.
Современная техногенная цивилизация получает, хранит, распределяет и утилизирует энергию абсолютно не так, как эти процессы осуществляются в живой природе. Взять ту же утилизацию. Спасибо нашим диким предкам: сохранили, пронесли для нас через тысячелетия великий секрет утилизации отходов – убрать с глаз долой да сжечь, если горит. И плевать, что отходы эти – уникальное сырье для производства новых товаров по примеру природы, где все в дело идёт. Гори все синим пламенем в топке мусоросжигающей печи! А ведь на дворе не каменный век – XXI-ый! Не сжигание, а переработка отходов, не выбрасывание на помойки, высокопарно именуемые полигонами, а утилизация для повторного использования – вот подход цивилизованного человека к проблеме отходов! И ладно б не было соответствующих технологий и оборудования. Есть же! И идеи полного цикла переработки, и опробованные на практике технологии, и действующее оборудование. Только все в единичных экземплярах, в виде диковинных штуковин, про которые мало, кто знает, из-за слабой маркетинговой политики их продвижения на рынок и в силу господства первобытных технологий зарабатывания денег, когда чисто на приёме мусора для якобы утилизации, деньги с такими скоростями делают, что в высоких технологиях и не снились.
Оценки показывают, что энергопотребление в биоценозе на порядки (как минимум в 100 раз) превышает энергию, утилизируемую человечеством при сжигании природных энергоносителей (нефти, газа и угля). При этом не только отдельные организмы, но и биоценоз в целом находятся в глобальном балансе с природой.
Перед рассмотрением достижений человечества в энергетике с позиций «зелёных технологий» посмотрим, как это делается природой.
Универсальным первичным источником энергии в мире живого является солнце. Поглощение квантов света осуществляется в фотосинтезе, в результате которого синтезируется глюкоза, являющаяся универсальным биологическим топливом.
хлорофилл
6CO2 + 6H2O ––––––––––––––® C6H12O6 +6O2
солнечный свет
Существует два вида молекулы хлорофилла отличающиеся лишь одной группой. Для хлорофилла-α это группа X=CO, для хлорофилла-β – CHO. Несмотря на то, что различие минимально, эти две молекулы совокупно перекрывают очень широкий спектр, в частности почти весь видимый глазом свет. Непоглощённой остаётся зона 500-600 нм, соответствующая зелёному свету (именно поэтому листья растений и планктон как правило имеют зелёный цвет). Для длительного хранения энергии глюкоза энзиматически преобразуется в свои производные: в растениях в дендример (макромолекула с симметричной древообразной с регулярными ветвлениями структурой) альфа-глюкозы – крахмал, у животных в дендример альфа-глюкозы – гликоген. Кроме того, стволы и ветки деревьев более чем наполовину по массе состоят из линейной формы бета-глюкозы – целлюлозы. В дендримерных формах глюкозы при утилизации энергии от молекулы по одной отщепляются замыкающие ветви звенья. Это позволяет делать процесс утилизации энергии in vivo универсальным и контролируемым на молекулярном уровне.
Универсальные формы хранения энергии in vivo: крахмал и гликоген. Молекулы полимера – крахмала накапливаются в клетках растений и образуют запас питательных веществ, в то время, как молекулы мономеров глюкозы не откладываются про запас, а либо преобразуются в полимерные формы: линейную (целлюлоза) или дендримерную (крахмал и гликоген) – либо быстро расходуются.
Крахмал содержится в больших количествах в зерновых злаках – пшенице, рисе, ячмене и других, а также в картофеле. В промышленности глюкозу получают гидролизом крахмала. Общая масса крахмала, синтезируемого в течение года in vivo, оценивается в сотни миллиардов тонн.
Гликоген – главная форма формирования запасов углеводов у животных. Гликоген – полисахарид, откладывающийся в виде гранул в цитоплазме клеток и расщепляющийся до глюкозы при недостатке её в организме. Гликоген запасается больше всего в печени (до 6 % от массы печени) и в мышцах (порядка 1% массы мышц).
Целлюлоза – клетчатка, главный строительный материал растительного мира, образующий клеточные стенки деревьев и других высших растений. Самая чистая природная форма целлюлозы – волоски семян хлопчатника. В древесине содержится от 40 до 60 % целлюлозы. Различие между молекулами целлюлозы и крахмала состоит также и в том, что у целлюлозы больше степень полимеризации (n). В состав одной макромолекулы крахмала входит от нескольких сотен до нескольких тысяч звеньев, а в состав молекулы целлюлозы – свыше 10 000 звеньев. Целлюлоза образует волокна, которые придают растению жёсткость и прочность. Так, волокно целлюлозы прочнее, чем стальная проволока такого же диаметра. Целлюлоза, крахмал и гликоген имеют одинаковую химическую формулу (C6H10O5)n.
Согласно современным воззрениям, утилизация энергии, запасённой в углеводородах, осуществляется в три этапа, каждый последующий из которых осуществляется только как результат предыдущего.
Гликолиз: анаэробное превращение глюкозы в пируват, в результате которого производится аденозинтрифосфат или аденозинтрифосфорная кислота (ATP) – источник энергии для всех биохимических процессов в живых системах.
Аэробный процесс окислительного фосфорилирования (также называемый циклом Кребса), сопряжённый с конечным продуктом гликолиза – пируватом – путём его окисления в ацетилкофермент А (ацетил-КоА). На этом этапе производятся дополнительные молекулы ATP и кроме того никотинамидадениндинуклеотид в восстановленной форме (NADH), являющийся универсальным переносчиком электронов в клетке (а также восстановленный флавинадениндинуклеотид – FADH2).
Хемиосмос (chemiosmosis), происходящий в мембранах митохондрий, контролируется несколькими ферментами при участии NADH и FADH2, приводящий к образованию дополнительных молекул ATP.
В результате этих трёх процессов из одной молекулы глюкозы производится до 38 молекул ATP.
Пара аденозинтрифосфат-аденозиндифосфат является «молекулярным шатлом». ATP богата энергией, потому что содержит две гидролизуемые фосфатные группы. Когда Р-О связи рвутся, освобождается свободная энергия, которая может использоваться в метаболизме. Энергия гидролиза одного фосфата составляет 30 КДж/моль, отщепление второго фосфата освобождает ещё 30 КДж/моль. ATP постоянно потребляется организмом. За сутки в организме человека синтезируется примерно 40 кг ATP, в то время как общая масса ATP в организме человека порядка 50 грамм. ATP никогда не хранится долго: за сутки она может совершить сотни и даже тысячи циклов. При усиленной работе расход ATP составляет до пятисот грамм в минуту. Суммарная масса произведённого в организме ATP за сутки может в несколько раз превысить массу животного, хотя в каждый момент времени в организме имеется в сотни или даже тысячи раз меньше этой величины.
Энергетические процессы, происходящие в живых организмах схожи с работой двухтактного двигателя внутреннего сгорания – система после каждого цикла извлечения энергии возвращается в исходное состояние. Фундаментальное отличие двигателей in vivo от двигателей внутреннего сгорания или турбин состоит в том, что они работают при температуре среды, процесс идёт с контролем за функционированием каждой молекулы, при том безотходно, намного более эффективно и экономно.
В процессе жизнедеятельности всех без исключения организмов утилизация запасённой в химических связях энергии происходит с контролем за метаболизмом каждой молекулы, и процессы эти происходят при температуре, близкой к температуре окружающей среды. Высокотемпературная утилизация (горение) in vivo, в отличие от человеческой цивилизации, не используется никогда. Кроме высокой температуры, горение характеризуется бесконтрольным превращением триллионов молекул в другие, при этом выделяется много тепла, и главной задачей оптимизации большинства технологий становится уменьшение тепловых потерь. В противоположность этому, в живой природе контроль при утилизации энергии осуществляется за метаболизмом каждой молекулы.
Мышцы являются универсальным механизмом, используемым многоклеточными организмами в живой природе для получения механической энергии. Мышцы состоят из актиновых (тонких) и миозиновых (толстых) нитей, состоящих из мономеров, сгруппированных в кластеры. Цикл функционирования мышцы в общих чертах выглядит так:
1) Головка миозинового мономера присоединена к мономеру актиновой нити прочной связью. При этом мономер актина, соседний с тем, к которому прикреплена головка мономера миозина, свободен.
2) Молекула ATP присоединяется к образовавшемуся комплексу мономеров актина и миозина и индуцирует конформационный переход к головке миозина, после чего эта головка отсоединяется от нити актина. При этом аденозинтрифосфат (ATP) превращается в аденозиндифосфат (ADP) и фосфатную группу Pi.
3) В головке миозина происходит конформационный переход, в результате которого фосфатная группа Pi отделяется от головки, а сама головка – от мономера актина.
4) Головка миозина (вместе с присоединённой к ней ADP) поворачивается и присоединяется к следующему мономеру актина. При этом процессе актиновые и миозиновые нити перемещаются друг относительно друга на один шаг, а аденозинтрифосфат освобождается.
После чего цикл повторяется. В результате множественных повторений цикла в каждом из кластеров, в которые сгруппированы мономеры актина и миозина, происходит сокращение мышцы.
В то время, как поколения технологий в ключевых областях промышленности в начале XXI века сменяются каждые несколько лет, живая природа исключительно консервативна. Одни и те же биологические механизмы, раз созданные, функционируют практически без изменений во всех организмах (количество видов которых на земле исчисляется миллионами) в течение миллиардов лет. Фотосинтез, гликолиз, цикл Кребса, хемиосмос и работа мышцы являются неизменными универсальными механизмами.
В техногенной цивилизации современности утилизация первичных источников энергии (нефти, газа, угля) происходит:
a) с выбросом вредных газов в атмосферу,
б) при высоких температурах,
в) с контролем только глобальных параметров (таких как давление в камере, температура горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания, масса смеси и им подобные).
Напротив, в живой природе утилизация энергии происходит:
а) экологически чисто,
б) при нормальной температуре,
в) с контролем каждой молекулы при утилизации энергии.
В то время, как в цивилизации используются различные виды топлива (в частности органического происхождения, такие как дрова, нефть, торф), так и неорганические (природный газ), в живой природе имеется одно универсальное топливо: глюкоза.
Можно ли создать двигатели, работающие по тому же принципу, что и мышцы, то есть использующие в качестве топлива глюкозу? Или, если несколько шире вопрос поставить: «Можно ли перевести мировую энергетику с ископаемых углеводородов на глюкозу, как частный случай альтервитальной энергетики?». Непреодолимых технологических трудностей на этом пути нет, более того, есть пример от природы, где множество организмов черпают энергию из превращения глюкозы в аденозинтрифосфорную кислоту – источник энергии для всех биохимических процессов в живых системах.
Ключевыми для альтервитальной энергетики представляются следующие стадии:
1) Производство глюкозы и её производных в количествах, соизмеримых с потреблением нефти, то есть в миллиардах тонн. Такая система первого поколения не является проблематичной и может быть создана в течение нескольких лет.
2) Создание альтервитальной мышцы (аналог современных двигателей). Это в принципе решаемая задача, так как, в отличие от, например, термоядерных станций, мышцы работают в миллионах организмов. В случае её решения человечество будет обеспечено энергией на тысячи лет. Проблемы загрязнения окружающей среды при утилизации энергоносителей и потенциального исчерпания нефти также будут решены.
3) Создание альтервитального биоэлектрического генератора, превращающего энергию биотоплива в электричество без горения. По сравнению с созданием искусственной мышцы создание альтервитальных двигателей первого поколения сравнительно более лёгкая и быстрее решаемая задача.
Альтервитальная энергетика, как элемент «зелёной технологии» – это, по большому счёту, пока что одна из перспектив «озеленения» человечества, так сказать, то, к чему стремиться. А что мы имеем уже сейчас в сфере «зелёных технологий» и какие заделы есть на завтра, а не на отдалённое «зелёное» будущее?
Главные надежды в решении острейших экологических проблем (к ним относятся и ресурсные) возлагаются сегодня на технологические прорывы. В последние годы развитые страны переориентируют своё развитие на реализацию стратегии экологически ориентированного роста, одной из главных составляющих которой становятся «зелёные технологии». В этот процесс всё больше вовлекаются и развивающиеся экономики – пришла очередь и нам непосредственно рассказать про технологические прорывы, про достижения инновационных систем, затрагивающие «зелёные технологии». При этом в описаниях «зелёных технологий» обойдёмся без кавычек.
Начнём с солнечных и ветряных электростанций. В 2015 году возобновляемая энергетика вышла на первое место по установленной мощности среди всех видов топлива, когда в мире количество ежедневно устанавливаемых солнечных панелей превысило 500000 штук, а в Китае число запускаемых ветряных установок достигло двух в час. На наших глазах происходит беспрецедентная зелёная революция, которая кардинально изменит расклад сил на энергетическом рынке. Темпы установки солнечных панелей бьют все рекорды. И это только начало, ведь стоимость ветряков, а тем более солнечных панелей постоянно снижается.
«Мы наблюдаем трансформацию глобальных энергетических рынков под влиянием возобновляемых источников», ‒ признал исполнительный директор Международного энергетического агентства Фатих Бирол. Он согласился, что рост частично вызван кардинальным падением цен на оборудование для солнечных и ветряных электростанций. Такие цены как сейчас невозможно было представить пять лет назад. Так, стоимость установки ветровой электростанции с 2010 по 2015 год упала на 30 %, а стоимость солнечных электростанций ‒ в три раза.
Международное энергетическое агентство прогнозирует дальнейшее снижение стоимости ветряков и солнечных электростанций на ближайшие пять лет: на 15 % и 25 %, соответственно. Судя по всему, это довольно консервативная оценка. Вполне возможно, прогнозы опять придётся пересматривать из-за ещё более бурного роста солнечной и ветряной энергетики. Отчёт Medium-Term Renewable Energy Market Report 2016 посвящён временному периоду с 2015 по 2021 годы. Прогноз на этот отрезок пересмотрен на 13 % в сторону повышения. По оценке экспертов, установленные мощности за данный отрезок увеличатся не на 730 ГВт, а на 825 ГВт. Это связано с принятием более строгого законодательства в США, Китае, Индии и Мексике.
За 2015 год в мире установлено 153 ГВт мощностей в энергетике. Больше половины из них представляют солнечные станции (49 ГВт) и ветряные станции (63 ГВт). Введено в строй больше мощностей, чем генерируют некоторые страны «большой восьмёрки» ‒ например, Канада. Солнечные и ветряные электростанции станции добавили за год больше мощности, чем электростанции на угле, газе и ядерном топливе. Такое достижение позволило возобновляемым природным ресурсам обойти уголь и выйти на первое место в мире по установленной мощности.
«Установленная мощность» в альтернативной энергетике ‒ это довольно условный показатель. Солнце не светит круглосуточно, а ветер дует с переменной скоростью в разных направлениях. Поэтому реальное производство электроэнергии из возобновляемых ресурсов гораздо ниже, чем установленные мощности. По этому показателю возобновляемые источники очень сильно отстают. Судя по всему, чтобы обогнать ископаемое топливо по генерации электричества, следует установить в разы больше генерируемой мощности, чем сейчас.
По данным Международного энергетического агентства за 2015 год, уголь обеспечил 39 % мировой генерации электричества, а все возобновляемые источники, включая ГЭС ‒ всего 23 %. По прогнозу, доля возобновляемых источников к 2021 году вырастет до 28 %. В этом случае возобновляемые ресурсы будут генерировать более 7600 ТВт*ч – больше электричества, чем сейчас генерируют США и страны Евросоюза вместе взятые.
Принятие более строгого законодательство в некоторых странах в поддержку возобновляемой энергетики связано не только с ратификацией Парижского соглашения в рамках Конвенции ООН об изменении климата. Это связано ещё и с серьёзными экологическими проблемами в некоторых странах. Например, из-за сильного загрязнения воздуха в Китае эта страна стремится теперь активно продвигать альтернативную энергетику. Сейчас примерно 40 % новых мощностей возобновляемой энергетики в мире приходится именно на Китай (в том числе 50 % ветряных установок).
Эксперты предупреждают, что прогнозируемый рост альтернативной энергетики сильно зависит от государственной поддержки, которая часто меняется в разных странах. Неустойчивая природа солнечной и ветряной энергии тоже несёт определённые риски для операторов. Тем не менее, во всём мире электростанций на возобновляемых источниках сейчас вводят больше, чем на ископаемом топливе. В Евросоюзе и США установленная мощность альтернативной энергетики ежегодно превышает новые потребности экономики. То есть, сейчас вообще нет смысла строить новые ТЭЦ на угле и газе, и можно постепенно закрывать старые. Что и демонстрирует Китай, продолжая прикладывать все возможные усилия к переходу на возобновляемые источники энергии.
Отчет Institute for Energy Economics and Financial Analysis (IEEFA) за 2017 год показывает насколько явно КНР стремится стать лидером производства энергии из возобновляемых источников. В опубликованных документах заявляется, что общие инвестиции Китая в проекты производства чистой энергии составили в 2017 году более 44 миллиардов долларов, что существенно превосходит показатель 2016 года – 32 миллиарда долларов.
Согласно ведущему автору отчета Тиму Бакли, главе отдела исследований вопросов энергетического финансирования в IEEFA, решение США отказаться от Парижского соглашения стал важным катализатором роста Китая на растущем мировом рынке возобновляемых источников энергии: «Это необязательно должно значить, что теперь Китай заполнит абсолютно все ниши оставленного США лидерства в результате отказа от Парижского соглашения, но это определённо предоставит стране технологическое превосходство и финансовые возможности, позволив доминировать в таких быстрорастущих секторах, как солнечная энергия, электромобили и производство аккумуляторов».
Для строительства солнечных электростанций (СЭС) требуются солнечные панели, эффективно преобразующие солнечный свет в электричество. И тут китайцы оказываются на острие научно-технического прогресса. Пример тому – разработка крупнейшего производителя тонкоплёночных солнечных элементов компании Hanergy, чья технология преобразования солнечной энергии побила сразу три мировых рекорда по энергоэффективности. По новой технологии дочерними компаниями Hanergy: Alta Devices, Solibro и MiaSole – были созданы три вида панелей: односегментный солнечный модуль GaAs, двойные стеклянные солнечные модули CIGS и солнечные модули CIGS на гибкой подложке, которые имеют рекордную эффективность преобразования энергии в 25,1 %, 18,72 % и 17,88 % соответственно. Эти солнечные панели могут использоваться для беспилотных летательных аппаратов, на крышах домов, в транспортных средствах на электрической тяге и различной электронике. По словам представителей компании, возможности применения их технологии бесконечны, так как она может использоваться практически во всех инновационных областях. В подтверждении своих заявлений компания Hanergy выпустила дрон на солнечных батареях. Без подзарядки он способен находиться в воздухе до 10 часов, тогда как время работы беспилотников, оснащённых только литий-ионными батареями, составляет не более двух часов.
Успехи в практическом освоении энергии солнца для нужд энергетики демонстрирует и Израиль, но несколько с другой позиции подхода к использованию излучения ближайшей к нам звезды – в пустыне Негев компанией Megalim Solar Power строится солнечная башня одной из крупнейших в мире Ашалимской гелиотермальной станции. Ашалимская станция устроена по принципу гелиоконцентратора, устройства для концентрации энергии солнца. В основе проекта станции 55000 управляемых компьютером гелиостатов (зеркал), положение которых меняется в соответствии с движением солнца. Зеркала направляют отражённый свет на солнечный парогенератор – специальный котёл, расположенный на вершине центральной башни, который производит пар для турбины, вращающей электрогенератор. Солнечная башня Ашалимской станции высотой 250 метров – самая высокая в мире. Стоимость проекта составит $773 млн. Станция будет вырабатывать 121 МВт электричества — 2 % всего потребления Израиля. Электричества, производимого в Ашалиме, хватит на обеспечение чистой энергией 120 тысяч домов. Каждый год комплекс будет помогать экономить 110 тысяч тонн выбросов углекислого газа. Всего доля производства электроэнергии из возобновляемых источников в Израиле со временем увеличится и составит 10 % в 2020 году.
Если несколько дальше посмотреть на перспективы солнечной энергетики, то следует обратить внимание на достижения исследователей из Венского технологического университета, которые работают над новым классом материалов для солнечных батарей. Новый материал австрийских учёных представляет собой гетероструктуру из нескольких одноатомных слоёв оксидов, что придаёт композиту совершенно новые свойства. По заверениям исследователей, их новый материал откроет возможность производить более эффективные солнечные элементы.
Оксиды, использованные разработчиками, являются изоляторами, но при объединении двух соответствующих типов изоляторов наблюдается удивительный и очень важный эффект: поверхности гетероструктуры становятся металлическими и начинают проводить электрический ток. Это позволяет получать солнечное электричество без проводов, как это делается, к примеру, в кремниевых солнечных элементах, где провода блокируют часть попадающего на элемент света. Остаётся только найти наиболее эффективные комбинации материалов, которые максимально поглощали бы видимую часть спектра солнечного света.
Одно из многообещающих направлений изысканий эффективных преобразователей света солнца в электричество – тонкоплёночные структуры. В этом разрезе исследовательская группа из Оксфорда предложила новый способ создания тонкоплёночных солнечных элементов, эффективность преобразования энергии в которых превышает 15 %. Устройства создаются на основе материала, известного как перовскит. Солнечные ячейки имеют простую архитектуру и легко могут воспроизводиться в коммерческих масштабах, так как процесс осаждения из парообразного состояния, используемый для их производства, по своей простоте вполне может конкурировать с традиционными методами обработки материалов, применяемыми для создания солнечных элементов.
Британские исследователи продемонстрировали, что перовскиты не только поглощают свет, но также могут обеспечивать транспорт электронов и дырок проводимости. Это значит, что использовавшаяся ранее сложная наноструктура не является необходимой для создания сенсибилизированных красителем солнечных элементов. В предложенном ими устройстве поглощающий свет слой перовскита просто зажат между чувствительными к электронам и дыркам электродами. По сути, своей простотой установка во многом напоминает обычные плоские контактные солнечные батареи. При этом устройство обеспечивает высокую эффективность преобразования солнечной энергии в электричество (до 15,4 %), несмотря на толщину всего в 330 нм. Стоит отметить, что устройство также создаёт разность потенциалов в 1,07 В (что более чем в два раза превышает разность потенциалов, создаваемую кремниевыми пластинами толщиной 0,15 мм). Это означает, что для создания солнечных батарей с отличными характеристиками необходимо совсем немного перовскита.
Устройства на основе перовскита вполне могут производиться с помощью тех же процессов, что сейчас применяются для создания коммерческих солнечных элементов, в том числе, на основе кремния. Более того, так как они поглощают свет в другой спектральной области, нежели кремний, солнечные элементы на базе перовскита и кремния могут удачно дополнять друг друга. При том, слой кремния может размещаться под слоем перовскита (поскольку последний не поглощает требуемый диапазон излучения). Это позволит создавать устройства, эффективность которых превышает возможности солнечных элементов и из кремния, и из перовскита по отдельности.
Последние достижения в области повышения эффективности и экономичности солнечных панелей осуществлены не без помощи новых окрашивающих веществ: красителей и пигментов, играющих в солнечных батареях роль антенны – эффективного поглотителя солнечного света с его последующим преобразованием в электрический ток. Красители и пигменты, являясь по химическому строению абсорбентами видимой и ультрафиолетовой части спектра, переходя под действием света в возбуждённое состояние, способны переносить избыточную энергию возбуждения посредством электронов на другие молекулы. Это их фотосенсибилизирующее свойство используют в фотоэлементах солнечных батарей.
Первоначально в качестве фотосенсибилизаторов в анодах солнечных батарей использовали синтетические очень дорогие и токсичные красители экзотической структуры, содержащие рутений. Только в последнее время появился теоретический и практический интерес к природным красителям растительного и бактериологического происхождения как фотосенсибилизаторам солнечных батарей. Это понятно и очевидно, поскольку в природе красители, как правило, играют роль абсорберов в видимой и ультрафиолетовой области солнечного спектра. Преимуществом природных красителей перед синтетическими красителями и другими неорганическими фотосенсибилизаторами, как и в других областях их применения, является нетоксичность, биологическая совместимость и биоразлагаемость, простота производства, огромный выбор в природе.
Фотоэлементы, которые поглощают свет за счёт органических красителей, име-ют тенденцию выгорать при интенсивном облучении. Эффективность таких солнечных панелей при этом падает. Инженеры из университетов Северной Каролины и Иллинойса разработали прототип биомиметического органического фотоэлемента, который способен обновляться благодаря наличию внутренней капиллярной сети. Чтобы её восстанавливать, учёные решили обновлять краситель через специальную систему капилляров. Прототип солнечной батареи состоял из двух электродов, между которыми располагался гелевый электролит. Фотоанод устройства был покрыт нанопористым оксидом титана. В геле были проделаны каналы, через которые учёные могли пропускать органический краситель. Исследование показало, что устройство способно многократно обновляться после интенсивного облучения.
Свой вклад в понимание механизма работы красителей в фотовольтаике внесли исследователи из Лундского университета (Швеция), когда объяснили, каким образом красители на основе железа работают на молекулярном уровне в солнечных элементах. Результаты шведских учёных ускорят разработку недорогих и экологически чистых солнечных панелей с красителями на основе железа. Это сделает их и «Light catcher» – более дешёвыми и экологически чистыми. В течение многих десятилетий исследователи со всего мира пытались разработать красители на основе железа для использования их в солнечных элементах, но безуспешно. Самая большая трудность – это получить нужные свойства красителей, повысить их энергоотдачу путём генерации электрического тока. Все предыдущие попытки приводили к результату, когда панель генерировала тепло вместо разности потенциалов, которая является необходимым условием для выработки электроэнергии. «Существует международный интерес к нашим исследованиям. Исследовательские группы по всему миру стремятся испытать новые красители в других областях», — заявил старший преподаватель Лундского университета Петтер Перссон.
С другой стороны к фотовольтанике подошла группа учёных под руководством Итамара Виллнера из Еврейского университета в Иерусалиме (Израиль). Они искали способы создания источников питания на базе фотосистемы II, для работы которых не требовался какой-либо химический компонент, разрушающийся в процессе использования.
Фотосистема II – функциональный комплекс электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) хлоропластов, находящийся в мембранах тилалкоидов всех растений, водорослей и цианобактерий, где происходят реакции фотосинтеза. Поглощая энергию света в ходе первичных фотохимических реакций, он формирует сильный окислитель – димер хлорофилла α, который через цепь окислительно-восстановительных реакций способен вызвать окисление воды. Окисляя воду, фотосистема II поставляет электроны в ЭТЦ хлоропласта, где они используются для циклического фосфорилирования. Помимо этого, окисление воды приводит к образованию протонов и формированию протонного градиента, используемого в дальнейшем для синтеза аденозинтрифосфорной кислоты – источника энергии для всех биохимических процессов в живых системах. Фотохимическое окисление воды, которое осуществляет фотосистема II, сопровождается выделением молекулярного кислорода. Этот процесс (составная часть фотосинтеза растений) является основным источником кислорода на Земле.
Итамар Виллнер и его коллеги решили проблему создания источников питания на базе фотосистемы II при помощи двух «природных» компонентов на полюсах батарейки. Анод – отрицательный полюс устройства – изготовлялся следующим образом. Для начала учёными была выращена колония сине-зелёных бактерий Mastigocladus laminosus. Затем они извлекли молекулы фотосинтезирующих белков из их клеток. Потом физики изготовили небольшой золотой электрод, поверхность которого была покрыта специальным полимером, и к свободным «хвостам» прикрепили молекулы фотосистемы II. Полимер исполнял сразу две функции – удерживал молекулы фотосистемы на месте и являлся «проводом», по которому свободные электроны перетекали на золотой электрод. Положительный полюс – катод – был изготовлен из стеклоуглерода, поверхность которого была покрыта углеродными нанотрубками и ферментом «билирубин оксидазой». Это вещество захватывает свободные электроны и использует их для превращения свободного кислорода в молекулы воды. Как объясняют физики, такая реакция препятствует улетучиванию кислорода, который извлекается из молекул воды на аноде.
Фотосинтез в наше время является основой альтернативной энергетики, но он привлекает внимание исследователей и в других сферах деятельности человека, в частности при синтезе новых материалов. Существующие технологии синтеза химических соединений основаны на применении токсичных веществ (в качестве катализаторов) и чрезвычайно энергозатратны. Кроме того, синтез может проводиться только в чистых помещениях, что делает его дорогим, длительным и ограничивает возможности для работы при естественном освещении. Поэтому учёные ищут альтернативные способы катализа химических реакций, например с помощью видимого излучения.
В природе фотокатализ используется растениями – солнечный свет при участии хлорофилла обеспечивает фотосинтез. Однако до недавнего времени фотокатализ не мог быть воспроизведён искусственно из-за отсутствия подходящих материалов. Американские исследователи разработали такой материал ‒ люминесцентный солнечный концентратор (LCS). С помощью люминесцентных объектов устройство поглощало солнечный свет и перенаправляло его на фотоэлектрические элементы. В своей работе ученые из Технического университета Эйндховена использовали LCSs (в форме листьев), которые были легированы флуоресцентным красителем полидиметилсилоксаном. Поверхность объекта включала в себя сеть микроканалов для ввода жидкости с нужными химическими веществами, и под действием солнечного света молекулы вступали в реакцию. Таким образом, устройство повторяло принцип работы антенн фотосинтезирующих организмов.
Тесты показали, что новое устройство ускоряет синтез химических соединений при солнечном свете: даже в облачную погоду скорость реакций в микрореакторе на 40 процентов превышала показатель контрольных систем. Потенциально технология может не только снизить стоимость и упростить химический синтез, но и сделать возможным создание препаратов в условиях, где оборудовать чистое помещение затруднительно.
Совместить фотосинтез и получение экологически чистого топлива удалось профессору химии Фернандо Урибе-Ромо из Университета Центральной Флориды, который вместе со своими студентами разработал новый синтетический материал, преобразующий углекислый газ в топливо под воздействием фотонов света. Такой материал решает сразу две проблемы: снижает количество парникового газа и даёт экологически чистое топливо. И самое главное, что для его изготовления не нужны драгоценные металлы. Здесь используется титан, который продаётся килограммами и почти в тысячу раз дешевле, чем платина или иридий. Уже много лет учёные бьются над проблемой экономически рентабельного искусственного фотосинтеза. Цель в том, чтобы эффективно использовать бесплатную энергию солнечного света для проведения химических реакций. До настоящего времени удалось использовать с этой целью высокоэнергетические ультрафиолетовые лучи, но они составляют всего 4 % спектра солнечного света. Для других частей спектра пока найдено лишь несколько эффективных материалов, но они требуют дорогостоящих добавок: платины ($31 за грамм), рения ($1000 за грамм) или иридия ($35 за грамм). Синтетический материал представляет собой металл-органическую каркасную структуру (metal-organic framework, MOF). Похожие MOF из Zr6O4(OH)4, используются для конденсации воды из воздуха, тоже при помощи одного лишь солнечного света. Представьте, даже в самой сухой пустыне вы ставите на улицу пустую бутылку – и она сама наполняется водой.
В последние годы удалось разработать несколько путей, позволяющие серьёзно утончить фотоячейки, используя вспомогательные структуры с размером, не превышающим длину волны видимого света. «Главная цель – найти пути применения столь малого количества материала для абсорбции света», – уверен адъюнкт-профессор Стэнфордского университета (США) Шанхай Фан. Высокоэффективные материалы, такие как полупроводники на основе оксидов элементов III-IV групп, а также кристаллический кремний, очень дороги. В случае других материалов, например аморфного кремния, цена может быть не столь критична, но несущие заряд электроны и дырки не успевают пройти достаточное расстояние, прежде чем «потеряться» в виде тепла. Очевидно, что чем тоньше будет рабочая среда, тем легче носители заряда достигнут его границ. При этом, чем тоньше солнечная батарея, тем выше вероятность того, что фотон пройдёт сквозь неё, не успев абсорбироваться.
Коммерчески доступные батареи на кристаллическом кремнии могут иметь толщину около 180 мкм. В то же время рынок уже высказывает серьёзный спрос на 50 мкм. Поэтому, не размениваясь по мелочам, лаборатория Шанхая Фана взяла курс сразу на создание солнечных батарей толщиной в 1-2 мкм. В теории специальные методики, такие как нанесение случайных текстур на поверхность фотоячеек, способны в 50 раз увеличить уровень абсорбции света ввиду изменение углов прохождения фотонов сквозь ячейку. При этом методы нанофотоники могут улучшить этот показатель ещё в 10 раз.
Один из таких методов – плазмоника. Фотоны, сталкиваясь с небольшими металлическими структурами, могут образовывать плазмоны – коллективные колебания свободного электронного газа в металле. Эффект способен резко увеличить рассеяние света внутри батареи, увеличивая вероятность того, что фотон все-таки будет абсорбирован. Вивиан Ферри, аспирантка Калифорнийского технологического университета (США), сообщила, что её группа создаёт плазмоны, используя полусферические выпуклости на контактах солнечной батареи (90 мкм) из аморфного кремния. Фивиан Ферри утверждает, что такой наноструктурированный продукт производит на 15 % больше тока, чем коммерческая солнечная батарея той же площади, покрытая случайными текстурами.
Еще один любопытный нанофотонный трюк заключается в использовании фотонных кристаллов для создания рефлектора. Благодаря периодическому изменению коэффициента преломления фотонные кристаллы позволяют получить разрешённые и запрещённые зоны для фотонов с разной энергией. Другими словами, такой кристалл способен выполнять функцию оптического фильтра или рефлектора. При попадании на него фотона с длиной волны, которая не соответствует разрешённой зоне, фотон не может распространяться в кристалле и отражается обратно (в рефлектор). Миро Зееман, глава исследовательской группы фотонных материалов и приборов Делфтского технологического университета (Нидерланды), рассказал, что его группа разместила фотонные рефлекторы как в середине батареи, так и на её задней стороне. Постоянные переотражения света на рефлекторах приводят к световым колебаниям внутри кремния, многократно повышая вероятность конвертации фотонов света в электрический ток. Другая фотонно-кристаллическая схема базируется на использовании микрометровых структур кристаллического кремния, слой которого может быть затем легко соединён со слоем аморфного кремния. По словам Оунси Эль-Дейфа, исследователя из микроэлектронного центра IMEC в Леувене (Бельгия), теоретически такой фотонно-кристаллический слой способен увеличить эффективность абсорбции фотонов до 37 %.
Пока что фотовольтаика продолжает оставаться дорогой технологией. Более или менее дешёвой альтернативой традиционным полупроводниковым солнечным батареям являются фотоэлементы, в которых в качестве фотосенсибилизаторов используются красители – цветосенсибилизированные солнечные батареи (DSSC – Dye-Sensitized Solar Cell) или ячейки Гретцеля по имени их изобретателя.
К основным достоинствам солнечных батарей на красителях следует отнести их лёгкость, гибкость при формоустойчивости, простоту производства, низкую цену, возможность встраиваться в различные материалы и изделия, широкий выбор цвета, способность работать при невысокой освещённости и внутри помещения. Недостатки DSSC: экзотичность химического строения красителей, недостаточная долговечность, относительно невысокий КПД. Но тут следует сказать, что международная группа учёных смогла резко повысить эффективность цветосенсибилизированных солнечных батарей, заменив самую консервативную часть системы – йодсодержащий электролит – на комплекс кобальта с органическим лигандом.
Исследователям из университета Монаша (Австралия) и их коллегам из Ульмского университета (Германия) удалось значительно увеличить эффективность цветосенсибилизированной солнечной батареи p-типа, использующей электролит на основе комплекса кобальта с органическим лигандом. Обычная цветосенсибилизированная солнечная батарея n-типа использует краситель и фотоанод – положительный электрод, покрытый полупроводником электронного типа, таким как диоксид титана. Под лучами солнца молекулы красителя переходят в возбуждённое состояние и передают электроны с валентного HOMO-уровня полупроводнику. Молекулы электролита, свободно двигающиеся в этой системе между отдельными её участниками, восстанавливают краситель, передавая ему электроны с противоположного электрода. В случае же ячейки p-типа процесс протекает как бы в противоположную сторону: специальный краситель и полупроводник p-типа находятся теперь на фотокатоде. Активируемый светом краситель стягивает электроны с валентного уровня полупроводника р-типа, такого как оксид никеля, на свой самый нижний незанятый молекулярный уровень LUMO. Затем молекулы электролита забирают лишние электроны с красителя и передают их противоположному электроду.
Исследователи довели конверсию солнечного света в ячейке р-типа до рекордного значения 1,3 % при напряжении в разомкнутой цепи до 709 мВ. Они добились этого за счет замены традиционного электролита на основе йодидов и трийодидов на хорошо известный комплекс кобальта трис (этилендиамин) кобальт (II)/(III), в котором кобальт может переключаться между состояниями окисления +2 и +3. Основным достоинством такой системы назван значительно более низкий окислительно-восстановительный потенциал. В результате напряжение в разомкнутой цепи, представляющее собой критический параметр любой солнечной батареи, удвоилось.
Разработка новых эффективных синтетических красителей для цвето-сенсибилизированных солнечных батарей продолжается с большим или меньшим успехом. Но следует иметь в виду, что всегда в этом случае остаётся проблема токсичности производства синтетических красителей и дороговизна технологического процесса. В определённой степени эти недостатки синтетических красителей, как и в других областях применения, преодолеваются использованием природных красителей.
Изучение природных красителей в качестве фотосенсибилизаторов в DSSC-фотоэлементах началось в конце прошлого века и продолжается в настоящее время. Эти исследования отличаются исключительной широтой, поскольку природа предоставляет в этом отношении изумительные возможности – красители и пигменты необыкновенно богато представлены в природе, особенно в растительном мире, они содержатся практически во всех частях растений: в листьях, коре, корнях, ягодах, семенах. Окрашенные вещества в растительном мире выполняют широкий круг защитных функций, обусловленных прежде всего их фотоактивностью.
Поиск эффективных фотосенсибилизаторов среди природных красителей сосредоточился в основном на многочисленных окрашенных веществах растительного происхождения. Эффективность этих окрашенных веществ оценивается по отношению к комплексам рутения и цинка, которые являются рекордсменами по эффективности, но имеют недостатки в части токсичности и дороговизны. Фотоячейки на основе природных красителей растительного происхождения пока уступают по эффективности конверсии света солнечным батареям традиционного типа, кроме того они неустойчивы к солнечному свету, попросту говоря, выцветают: если кремниевые солнечные батареи эффективно работают более 10 лет, то фотоячейки на природных красителях – около года. Но солнечные батареи на основе природных красителей дешевле в производстве, у них ниже стоимость производства электроэнергии, они работают в более широком диапазоне спектра. И конечно, природные красители в фотонике более предпочтительны с позиций зелёных технологий, нежели синтетические. Но тут им надо жёстко конкурировать с привычными для нынешних инженеров материалами, в первую очередь по части эффективности преобразования света солнца в электричество. Мысль научная и инженерная на месте не стоит, и традиционные материалы обретают второе дыхание, когда глаз инженера и учёного что-то необычное подмечает, а голова воплощает подмеченное в новые технологии, материалы или устройства.
Физики из Великобритании смогли улучшить максимальный КПД солнечных батарей и почти в 17 раз уменьшить их вес, благодаря наблюдениям за тем, как бабочки разогревают свои крылья перед полётом, и изучению их внутренней структуры. «Наше исследование показало, что непритязательная капустница-белянка является не просто вредителем, угрожающим урожаю, но и настоящим экспертом в области сбора солнечной энергии и использования её для своих нужд», – рассказывает Ричард Френч-Констант из университета Эксетера (Великобритания). Френч-Констант, эксперт в области биологии бабочек, помог коллегам по университету под руководством Тапаса Маллика найти способы радикально улучшить конструкцию, КПД и снизить себестоимость солнечных батарей, опираясь на то, как устроены крылья белянок и других чешуекрылых насекомых. Как рассказывает биолог, бабочки, как и другие насекомые, не являются теплокровными существами, и они могут летать только тогда, когда двигательные мускулы их крыльев будут хорошо прогреты солнцем. Белянки привлекли коллективное внимание учёных по той причине, что этот вид насекомых просыпается и начинает летать гораздо раньше, чем другие виды бабочек, что в особенности заметно в облачные дни, когда солнце скрыто за тучами. Это наблюдение натолкнуло физиков на мысль, что крылья белянок могут быть устроены таким образом, что они лучше поглощают энергию солнечных лучей, чем у других насекомых. Руководствуясь этой идеей, Тапас Маллик и его коллеги проследили за тем, как свет отражается от крыльев бабочек и расположенных на них чешуек. Эти наблюдения раскрыли несколько любопытных вещей. К примеру, белянки держат крылья по отношению друг к другу под определённым углом, что позволяет особым отражательным чешуйкам на поверхности крыльев перенаправлять практически весь отражаемый свет на ту часть брюшка насекомого, где находятся двигательные мускулы. Используя эти чешуйки в качестве образца, физики смогли создать такое покрытие для солнечных батарей, которое заметно увеличило долю поглощаемого ими света и позволило уменьшить их толщину. Что интересно, подобного же эффекта можно добиться, просто прикрепив крылья белянок к поверхности солнечных батарей, не меняя и не обрабатывая их поверхности. Как заявили исследователи его коллеги, их версия солнечной батареи поглощает в среднем на 41-50 % больше света, чем классические фотоэлементы, и при этом она может обладать в 17 раз меньшей массой при аналогичной мощности. По словам исследователей, КПД их солнечных батарей и соотношение их массы и мощности можно будет сделать ещё более привлекательными, если им удастся улучшить свойства искусственных аналогов чешуек белянок. Такие солнечные батареи, как предполагают британские учёные, будут в первую очередь интересны не только энергетикам, но и разработчикам космических кораблей и зондов, где вес источника питания играет критическую роль.
Внесли свой вклад в развитие путей повышения эффективности солнечных электростанций и учёные из Технологического института Джорджии, которые провели исследования свойств углеродных нанотрубок. Результатом их работы стало создание выпрямляющих антенн, преобразовывающих свет непосредственно в постоянный электрический ток, что может стать революционным прорывом, который позволит увеличить эффективность систем солнечной энергетики. Современные технологии позволили исследователям вырастить миллиарды вертикально расположенных углеродных нанотрубок на кремниевом основании. Каждая из нанотрубок была покрыта защитной плёнкой из оксида алюминия, обладающего диэлектрическими свойствами, и весь этот «лес» был покрыт монолитным слоем прозрачного кальция. После чего на тонкий слой кальция был напылён слой алюминия, который выступал в качестве анода. Углеродные нанотрубки, заключённые в защитные оболочки, начинают колебаться, когда на них попадают фотоны света. Эти колебания производят высокочастотный переменный электрический ток, который пройдя через выпрямитель, превращается в постоянный ток. Быстродействие выпрямителей (туннельных диодов из углеродных нанотрубок) очень велико, они способны работать на частотах порядка ПетаГерц. Электроны, из которых состоит выпрямленный ток, туннелируются на внешний алюминиевый электрод, откуда этот ток можно направить в любом необходимом направлении. Пока эффективность работы выпрямляющей антенны оставляет желать лучшего: опытный образец способен преобразовать в электрический ток около одного процента от энергии падающего света. Однако учёные и инженеры, задействованные в этом проекте, уже имеют некоторые планы насчёт оптимизации структуры антенны, что открывает возможности поднять её эффективность до уровня, который позволит использовать их в устройствах получения электрической энергии.
Солнечные панели, расположенные на крышах, выглядят так, будто покрыты какой-то сеткой. Линии, которые мы видим, на самом деле представляют собой металлические контакты. Они необходимы для снятия электрического тока, генерируемого солнечными элементами, но при этом уменьшают количество солнечного света, попадающего на полупроводниковый слой. Хотя верхний слой металлических контактов относительно тонкий, он может покрывать 5-10 % площади поверхности солнечной панели. Это означает, что 5-10 % солнечного света, которые могли бы использоваться для выработки электроэнергии, отражаются.
Команда исследователей из Стэнфордского университета разработала способ сделать эти отражающие металлические контакты почти невидимыми для падающего света, что может существенно увеличить эффективность солнечных батарей. В ходе экспериментальной работы учёные поместили плёнку из золота толщиной 16 нанометров на плоский лист кремния. Золотая плёнка похожа на монолитную при взгляде невооружённым глазом, но на самом деле она содержит массив наноразмерных квадратных отверстий. После обработки золотой плёнки и кремния раствором плавиковой кислоты и перекиси водорода золотая плёнка погрузилась в кремниевую подложку, а наностолбцы из кремния вышли в отверстия в золотой плёнке и поднялись над её поверхностью. «Наши наностолбцы выступают в качестве воронок, захватывающих свет и направляющих его в кремниевую подложку через отверстия в металлической сетке», — пояснил смысл технологии ведущий автор исследования Виджай Нарасимхан. Результатом этого химического процесса стали так называемые потайные контакты высотой всего в 330 нанометров. После серии экспериментов и моделирований исследовательская группа дополнительно оптимизировала конструкцию солнечных панелей: теперь они могут покрыть металлом две трети поверхности с потерей отражательной способности всего в 3 %. Виджай Нарасимхан утверждает, что это увеличит эффективность обычного фотоэлемента на 20-22 %. Технология может использоваться не только с золотом, но и с серебром, платиной, никелем и другими металлами.и с другими полупроводниками, что позволит усовершенствовать фотодатчики, светодиоды, дисплеи и прозрачные батареи.
В том же Стэнфордском университете группа учёных под руководством И Цуя разработала технологию создания прозрачных и в то же время гибких литий-ионных батарей. Они «напечатали» электроды батареи при помощи микроканальной технологии – базового принципа работы современных струйных принтеров. Суть метода заключается в том, что вместо одного большого электрода используется сетка из тонких проводников толщиной в 30-40 микрон. Человеческий глаз не может зафиксировать такие небольшие объекты, и поэтому сетка будет казаться прозрачной. «Печать» батареи производится в несколько этапов. Основой для сетки электродов служит кремниевая форма, которая заливается кремний-органическим (силиконовым) гелем. Застывший гель снимают с формы и покрывают тонкой плёнкой золота. В результате образуются микроканалы, которые «заливают» раствором наночастиц из соединений лития, марганца и кобальта. После высыхания раствора золотая плёнка аккуратно снимается и производится сборка «сэндвича» из двух таких пластинок и вещества-электролита. Электрический «бутерброд» не только прозрачен, но и достаточно гибок – устройство потеряло только 5 % своей ёмкости после 100 свертываний в трубочку. Кроме того, данный источник питания можно многократно перезаряжать, как и обычный литий-ионный аккумулятор.
Другая стезя зелёных технологий, сулящая человечеству светлое и чистое будущее – транспорт, точнее электротранспорт, взамен нынешних автомобилей, теплоходов, самолётов и прочих средств передвижения на углеводородном ходу. В этой области первоочередные работы ведутся над созданием мощных лёгких недорогих автономных источников электричества.
В частности, продолжаются интенсивные исследования по повышению эффективности литий-ионных аккумуляторов. Новый материал, разработанный японской компанией Sumitomo Electric может существенно увеличить ёмкость литий-ионных аккумуляторов. Материал японцев называется Aluminum-Celmet, он имеет микропористую структуру, сформированную из множества сферических, связанных между собой, полостей. Компания Sumitomo Electric уже изготавливала микропористый материал из никеля и сплава хрома и никеля. За счёт пористости такой материал обладает высокоразвитой активной поверхностью и при достаточном его заполнении активным веществом может с высокой эффективностью использоваться в качестве электрода водородно-никелевой аккумуляторной батареи. Такому материалу легко придать любую форму, он замечательно поддаётся механической обработке. Используя технологический процесс, такой же, какой был использован для производства никелевого микропористого материала, компания Sumitomo Electric успешно произвела микропористый алюминиевый материал, который помимо развитой активной поверхности обладает ещё и небольшим весом, малым удельным электрическим сопротивлением и превосходной устойчивостью к коррозии. Все эти черты нового алюминиевого материала делают его весьма привлекательным для использования в литий-ионных аккумуляторных батареях электрических автомобилей, и везде, где происходят частые циклы зарядки-разряда. Представители Sumitomo Electric утверждают, что замена алюминиевой фольги, используемой в качестве положительного электрода литий-ионных аккумуляторов, новым микропористым материалом позволит значительно увеличить показатель количества энергии на единицу объёма аккумуляторных батарей. Это даст прирост ёмкости аккумуляторов в 1,5-3 раза, что увеличит дальность поездки электромобиля без подзарядки на 200 % или позволит сократить объем и вес аккумуляторных батарей на 2/3 при неизменной дальности передвижения. Помимо электромобилей, аккумуляторные батареи которых являются самым очевидным применением нового микропористого материала, этот материал может быть успешно использован и в аккумуляторных батареях, предназначенных для запасов энергии при солнечных и ветряных электростанциях.
Аналитики Wall Street Journal рассмотрели ситуацию в области перспективных аккумуляторов, благодаря которым сотовые телефоны смогут «жить» месяцами без зарядки, электромобили проезжать больше 800 км на одной подзарядке аккумуляторной батареи, а здания хранить достаточно энергии, получаемой от солнечных батарей или других альтернативных источников, чтобы отказаться от традиционной электроэнергетики.
Ими были выделены пять перспективных проектов, близких к коммерческой реализации:
— Батареи, в которых вместо графитовых анодов используются кремниевые нанопровода диаметром 100 нм и длиной в несколько микрон. Учёные из Южно-Калифорнийского университета доказали, что для воплощения данного проекта в коммерческий продукт не нужно пять или десять лет. Уже сейчас учёным удалось увеличить ёмкость батарей втрое и сократить время зарядки до 10 минут.
— Батареи, в которых используются покрытые серой пористые углеродные нанопровода с электролитическими добавками. Учёные из Стэнфордского университета разработали новый тип анодов из кремниевых нанопроводов. Изначально исследователи столкнулись с быстрым выходом батарей из строя по причине разрушения материала в результате расширения и сжатия во время перезарядки, но они нашли выход из ситуации путём покрытия пористых углеродных нанопроводов серой и улучшения другой составной Li-ion аккумуляторов – катода – электролитическими добавками. В результате ёмкость батарей удалось увеличить в четыре-пять раз.
— Литий-воздушные батареи. Компания IBM в сотрудничестве с исследователями, государственными лабораториями и лидерами в отрасли работает над проектом Project 500. Компания IBM называет данные батареи литий-воздушными. Их работу можно описать следующим образом: вместо оксидов металла в позитивном электроде используется углерод, вступающий в реакцию с воздухом для создания электрического тока. Использование углерода делает батареи данного типа заметно легче по сравнению с графитовыми аналогами. По словам IBM, данные батареи позволят поставить электромобили в один ряд с бензиновыми авто, хотя на автомобильной индустрии их применение не закончится. По словам IBM, первый стабильный и полностью рабочий прототип батареи данного типа появится уже в этом году.
— Батареи, в которых применены аноды из олова. Учёные из Вашингтонского университета разработали технологию, которая поможет утроить ёмкость Li-ion аккумуляторов, сократить время зарядки и продлить срок службы. Данная технология, которая была запатентована учёными под руководством профессора Гранта Нортона, описана следующим образом: графитовые электроды были заменены анодами из олова. Коммерческие Li-ion аккумуляторы, в которых применены аноды из олова, с виду не отличаются от графитовых аналогов и не требуют дополнительных затрат на внесение изменений в конструкции устройств.
— Батареи, в которых применены кристаллы магнетита из зубов моллюсков. Дэвид Кизайлус из Калифорнийского университета в Риверсайде установил, что идеальным материалом для создания дешёвых наноматериалов, которые смогут в разы повысить эффективность солнечных элементов и литий-ионных батарей, является самый твёрдый биоминерал на Земле – магнетит. Примечательно то, что он содержится в радуле панцирного моллюска (радула – аппарат, служащий для соскребания и измельчения пищи у моллюсков, состоит из хитиновой пластины с рядами хитиновых зубов). Разработки Дэвида Кизайлуса смогут обеспечить производство более дешёвых солнечных и литий-ионных батарей, на подзарядку которых будет уходить намного меньше времени. Дэвид Кизайлус выяснил, что моллюски из группы хитонов пользуются нанотехнологиями при создании новых зубов. И для этого им вовсе не нужны какие-то особые условия, а также много энергии. Учёный исследовал строение зубов у моллюска Cryptochiton stelleri, который является обычным жителем тихоокеанского побережья США. Он выяснил, что радулы этого существа имеют покрытие из магнетита (FeO•Fe2O3), который является одним из самых твёрдых биоминералов. Исследователь проследил, каким образом образуется это покрытие. Процесс формирования нового зуба происходит в три этапа: сначала гидратированный оксид железа осаждается на волокноподобных хитиновых органических «заготовках», потом из оксида образуется магнетит, а это, в свою очередь, приводит к изменению формы зуба, и он из весьма аморфного образования становится конусом с острой верхушкой. Самым интересным является то, что при образовании магнетита хитиновая основа изменяет свои свойства: рыхлый и пористый материал, связываясь с частичками покрытия, меняет свою структуру. Но это ещё не все – сам магнетит в процессе затвердевания зуба тоже упорядочивается.
Если подходить к аккумуляторным батареям со стороны зелёных технологий, то, альтернативой литий-ионным батареям являются литий-полимерные, которые появились в середине 1990-х годов. Особенно предпочтительны в экологическом разрезе гибкие полимерные батареи, элементы которых в 2009 году продемонстрировали исследователи немецкого Исследовательского института электронных наносистем Фраунгофера. Гибкие литий-полимерные батареи экологически значительно чище, дешевле в производстве и легче утилизируется в сравнении с конвенциональными литиевыми батареями, содержащими органические растворители.
Как было отмечено в начале данной главы, одна из целей «зелёных технологий» – исключение использования вредных синтетических химикатов в сельском хозяйстве, внедрение биотехнологий в земледелие, животноводство и переработку сельхозпродукции. Пришло время в рамках нашей книги рассказать про зелёные технологии в сельском хозяйстве.
Химизация сельского хозяйства. Борьба за урожайность сельскохозяйственных культур и повышение производительности животноводства, включая яйценоскость кур. Достижения очевидны. Провалы тоже: вырождение плодородия почв, вследствие передозировки удобрений в погоне за все более и более высокими урожаями; переизбыток химии в сельхозпродуктах; загрязнение окружающей среды, для которой рукотворные химические удобрения – инородные тела.
Решение проблемы найдено. И, как это обычно бывает, когда упираются в тупик, решение оказывается за спиной. В данном случае – возврат к природе: биотехнологии. Восстановление природного баланса микроорганизмов в почве, использование микроорганизмов для борьбы с болезнями сельхозкультур и домашних животных, применение микроорганизмов для повышения урожайности, яйценоскости, удоев и прочих потребностей гомо сапиенс в белках, жирах и углеводах.
Неоспоримым преимуществом применения в сельском хозяйстве биопрепаратов перед химпрепаратами является их экологическая чистота. Продукты, произведённые по биотехнологиям не содержат в себе неестественные химические соединения. В них нет никаких избытков нитратов, фосфатов и прочих «спутников» химизации сельского хозяйства. Кроме того, чёткое соблюдение технологии применения сельхозбиопрепаратов ведёт к повышению урожайности многих сельскохозяйственных культур. Но самым весомым аргументов для потребителей биопрепаратов может оказаться в конечном итоге дешевизна их применения: в расчёте на гектар вложенных средств биотехнологии в несколько раз дешевле химических технологий. Немаловажным является и косвенный эффект применения биопрепаратов: естественная микрофлора и нормализованный химический состав овощей и фруктов увеличивают их лежкость, что приводит к уменьшению потерь при хранении. Не смотря на кажущийся антагонизм химических и биологических сельхозпрепаратов, среди биопрепаратов есть такие, которые можно и даже нужно использовать вместе с химическими удобрениями, потому что они улучшают процесс усвояемости растениями химических соединений, что приводит и к повышению урожайности, и к улучшению структуры почв, и к уменьшению нормы внесения химических удобрений.
Среди сельхозбиопрепаратов можно выделить:
– биоудобрения, вносятся в почву перед посевом растений и во время их подкормки, обеспечивают повышение урожая сельскохозяйственных культур;
— биостимуляторы роста, используются во время роста растений, завязи плодов и созревания урожая;
— средства борьбы с болезнями и вредителями, применяются при предпосевной обработке семян и в период появления вредителей;
— средства компостирования растительного материала, используются для переработки растительных материалов, остающихся после уборки урожая и используется для обогащения почвы перед посадкой растений.
По мнению многих экспертов, будущее принадлежит биологическому земледелию, принцип действия которого – поддержании почвы в жизнеспособном, биологически активном состоянии. Основа биологического земледелия – это активация микрофауны почвы. Почвенно-микробиологические процессы протекают с желаемой интенсивностью лишь тогда, когда их обитатели находятся в активном состоянии.
В корнеобитаемом слое почвы всегда существует сообщество бактерий, грибов, других простейших микроорганизмов, сложившихся за миллионы лет. Как это ни парадоксально, но основная масса биосферы состоит из этих микроскопических существ. В процессе своей жизнедеятельности они создали и постоянно увеличивают плодородие почв планеты. Среди микроорганизмов, населяющих почву, есть полезные и вредные. В свою очередь, среди полезных микроорганизмов одного и того же вида существуют особи высокой метаболической активности. Такие уникумы и представляют практический интерес. Их выделяют в чистую культуру, изучают полезные свойства, затем комбинируют, создавая консорциумы естественных экологически чистых препаратов. Получаются сельхозбиопрепараты.
Химические средства защиты растений подавляют не только вредную, но и полезную микрофлору почвы. В результате замедляются процессы разложения и минерализации растительных остатков. Вынос питательных элементов превышает естественный прирост. Почвы быстро теряют своё плодородие.
Для предотвращения дальнейшего оскудения почв разрабатываются сельхозбиопрепараты с уникальными свойствами. К примеру, унификаторы состава почвы и стабилизаторы урожая. Первые приводят состав почвы к стандартному набору микроорганизмов для унификации процесса дальнейшей работы с почвами независимо от климатических зон. Вторые стабилизируют урожай в зависимости от конкретных погодных условий в данный момент в данном регионе: в случае засухи удерживают влагу в почве и поглощают её из атмосферы, в случае дождей поглощают избыток влаги из почвы и непосредственно с сельскохозяйственных культур. Применение биопрепаратов при компостировании растительных остатков позволяет получить органическое экологически чистое удобрение. Безотходные технологии переработки отходов бродильной, маслобойной, сахарной, мукомольной промышленности с использованием биопрепаратов превращают отходы из загрязняющего фактора в высококачественное органическое удобрение или сырьё для получения биологических средств защиты растений.
Ещё одна «профессия» сельхозбиопрепаратов – рекультивация земель. Вокруг современных крупных предприятий простираются обширные поля отчуждённых нарушенных земель, утративших плодородие. Такие экзотические ландшафты напоминают лунные пейзажи. Это могут быть золошламоотвалы комбинатов, отвалы шахтной добычи рудных и нерудных ископаемых, нефтяные загрязнения различного происхождения. Традиционная рекультивация предлагает следующие приёмы ускоренного возврата нарушенных земель: нанесение плодородного слоя, использование хозбытотходов с последующим запахиванием, внесение торфяной золы.
Биологическая рекультивация нарушенных земель даёт возможность в момент высева трав-эндемиков обеспечить их семена необходимым и достаточным количеством питательных веществ, нужными группами почвенных микроорганизмов, усваивающих азот из воздуха и обеспечивающих их питание. Фактически при прорастании семян, вокруг корешка формируется свой микроагроценоз. Предварительное и последующее внесение почвоулучшающих и агрополезных микроорганизмов, а также объединение между собой множества микроагроценозов развивающихся растений, приводит к образованию сплошного тонкого слоя гумуса – основы начала формирования нормального плодоносного слоя.
В результате применения биопрепаратов уже в первый год рекультивации удаётся получить хороший рост трав. При этом резко возрастает численность почвенной микрофлоры, особенно тех групп микроорганизмов, которые активно участвуют в первичном почвообразовании. В результате гумус образуется уже на втором году рекультивации. На третий год его содержание достигает 1,3-1,5%. Без применения биологических методов содержание гумуса к этому времени составляет 0,1%. Затраты на рекультивацию с помощью микроорганизмов, входящих в состав сельхозбиопрепаратов, снижаются в 5-8 раз по сравнению с традиционными методами.
Сельхозбиопрепараты применяются не только сельхозпроизводителями, но и городскими коммунальными службы: для улучшения условий обитания человека в мегаполисе используются агроприёмы с применением биопрепаратов, обеспечивающие восстановление плодородия почвы и ее биологической активности. В результате улучшаются декоративные свойства растений, возрастает приживаемость саженцев (в 5-7 раз). Снижается расход минеральных удобрений в 2-3 раза, а в отдельных случаях можно полностью отказаться от их применения, кроме того, подавляется фитопатогенная микрофлора.
Завершая разговор про зелёные технологии в формате сельхозбиопрепаратов необходимо подчеркнуть, что стоимость сельхозбиопрепаратов на порядок выше, чем стоимость тех же химических удобрений, но расход на два порядка меньше. В результате – экономия для сельхозпроизводителей на порядок по сравнению с химическими сельхозпрепаратами. Плюс экологическая чистота сельхозпродуктов. Технология весьма и весьма перспективная, как в сельскохозяйственном аспекте, так и в коммерческом плане, и завоёвывает все новые и новые позиции в сельском хозяйстве развитых стран.
Помимо биопрепаратов на волне инновационных технологий в сельское хозяйство пришли нанотехнологии, что вполне обосновано можно отнести к расширению сферы влияния «зелёных технологий», поскольку при том снижается нагрузка на сельскохозяйственные экосистемы.
Так, в растениеводстве применение нанопрепаратов в качестве микроудобрений обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и увеличение урожайности (в среднем в 1,5-2 раза) почти всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные, плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур. Эффект здесь достигается благодаря более активному проникновению микроэлементов в растение за счёт наноразмера частиц и их нейтрального (в электрохимическом смысле) статуса, что задействовала американская компания «Nanotech Industries, Inc.» (Калифорния), запатентовав технологию предпосевной нанообработки семян на основе биологически активных многофункциональных материалов, которые были названы наночипсами. Практически не повышая стоимость обработки, технология от «Nanotech Industries, Inc.» до 50 % увеличивает урожайность как продовольственных, так и технических культур. Наночипсы представляют собой твёрдый пористый носитель (минеральный материал, глина, торф, полимер), поры которого содержат наночастицы биологически активных веществ. Эти вещества, улучшающие условия прорастания, развития и защиты растений от неблагоприятных воздействий, не только проникают в поры, но и удерживаются на поверхности носителя за счёт адгезии. Состав биологически активных наночипсов выбирают с учётом ожидаемых и усреднённых неблагоприятных условий.
По мнению учёных, применение нанотехнологий в сельском хозяйстве (при выращивании зерна, овощей, растений и животных) и на пищевых производствах (при переработке и упаковке) приведёт к рождению совершенно нового класса пищевых продуктов – нанопродуктов, которые со временем вытеснят с рынка генно-модифицированные продукты.
Рассказ про достижения зелёных технологий не может обойтись без генной инженерии, которая открывает перед человечеством пути решения проблемы истощения ресурсов и настраивает на разумное природопользование.
В этом плане исследователи из израильского Института Вейцмана научились менять структуру ДНК овощей и фруктов для улучшения их внешнего вида и вкуса. Основные характеристики плодов при этом не меняются. Метод израильских учёных наиболее точный из всех существующих на сегодняшний день и представляет большой интерес для садоводов. До сих пор любые изменения структуры ДНК плодов приносили непредсказуемый результат, так как помимо вкусовых качеств и внешнего вида они случайно затрагивали и другие признаки растений.
Новый метод построен на принципе гомологичной рекомбинации – способа устранения двух- или однонитевых повреждений ДНК с помощью повторяющегося копирования признаков, который используется клетками чаще всего. Генетики научились использовать этот процесс в собственных целях. Они выбирают необходимую черту и «обрезают» ДНК таким образом, чтобы при естественном восстановлении клетки сами подставили её в молекулы.
Для показательного эксперимента учёные попытались изменить цвет томатов. Так результат исследования можно было без труда отследить визуально. В результате гомологичная рекомбинация произошла в 14% случаев, что считается высоким показателем точности.
«Теперь, когда мы показали, что преднамеренно индуцированная гомологичная рекомбинация происходит с такой высокой частотой, садоводы могут начать использовать этот механизм. Метод позволяет не просто редактировать, а переписывать геном растения, чтобы комбинировать необходимые свойства, включая вкус, размер, урожайность и устойчивость к болезням», – отметил профессор Авраам Леви, под руководством которого проходило исследование.
И немного про «голубую экономику». В последнее десятилетие динамично развивается мощное научно-практическое направление «The Blue Economy» («голубая экономика» или экономика морепродуктов). Этому направлению посвящены сотни публикаций и патентов, разработаны новые технологии, созданы сотни научно-производственных компаний в разных странах.
Одним из очень важных направлений «голубой экономики» является глубокая промышленная переработка водорослей из морских, речных, озёрных и искусственных водоёмов с целью получения широкого ассортимента ценных продуктов. Одними из самых массовых продуктов переработки водорослей являются волокна на основе альгината (альгинат – основное вещество водорослей, полисахарид близкий по химическому строению к целлюлозе). Однако, как оказалось в последние годы, из водорослей можно производить разные виды биотоплива и простейшие органические вещества как сырье для более сложных продуктов: масел, биологически активных веществ, лекарств. При этом не надо бурить скважины и забираться в отдалённые уголки планеты, крушить арктический шельф – достаточно водоема под водоросли и солнечного света для их питания и размножения.
Наиболее перспективной с точки зрения выращивания и производства различных полезных и ценных продуктов признается вид водорослей Spirulina. Эти водоросли легко выращиваются, дают большой урожай, содержат значительное количество потенциального полезного сырья. Самым прибыльным с учётом конъюнктуры на мировом рынке потребления топлива и реально реализуемым направлением признается выращивание водорослей для производства биотоплива и производство из водорослей различных видов биотоплива. При этом из одной тонны влажной биомассы водорослей можно получить до двухсот литров масла, из которого путём несложных технологий можно будет получать биодизель и ряд ценных органических веществ: триглицериды, жирные кислоты, липиды, углеводороды с длинной цепочкой, углеводы (сахара, крахмал, альгинат), этанол и другие спирты, целлюлозу, другие ценные продукты.
Эксперты отмечают высокую экономичность получения биотоплива из водорослей в сравнении с другими способами получения биотоплива из растений (рапс, кукуруза, пальмовые плоды и прочее) и предсказывают резкий рост использования водорослей в ближайшие годы. Специалисты оценивают преимущества биотоплива из водорослей по следующим соображениям:
— топливо потенциально продуцируется прямо в водорослях с помощью солнечной энергии;
— не нужно занимать площади, занятые под выращивание сельхозкультур;
— процесс производства легко масштабируется;
— цены готовой продукции сравнимы с ценами на обычное топливо;
— экологическая чистота производства.
В общем, в мире сформировалось мощное перспективное научно-техническое движение – «голубая революция» – эффективное использование растений и животных морей, рек и озёр в различных важнейших направлениях деятельности человека: от изучения механизма функционирования растений и животных водоёмов различного вида до создания новых технологий и продуктов на этой основе (бионика) и «одомашнивание» выращивания водных растений – водорослей для производства из них биотоплива, волокон, углеводов, полисахаридов, продуктов питания, пищевых добавок, лекарств, других ценных продуктов. При этом «голубые технологии» экономичны (солнечная энергия прямо трансформируется в биотопливо и другие ценные продукты) и экологичны (не занимают земельные угодья, не увеличивают содержание углекислого газа в атмосфере).
В конце нашего небольшого обзора достижений зелёных технологий немного экзотики. Зелёные технологии – зеленее не придумаешь.
В попытке найти экологическую альтернативу для создания электрических батарей исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде разработали батарею с использованием шампиньонов двуспоровых. Как утверждают учёные, их детище сможет не просто снизить экономическую и экологическую стоимость при производстве батарей, но и привести к созданию аккумуляторов, мощность которых не падает, а наоборот, возрастает с течением времени. Инновационные батареи состоят из трёх основных элементов: отрицательный полюс (катод), положительный полюс (анод) и твёрдый или жидкий разделитель (электролит). В качестве анода в литиево-ионных батареях используется синтетический графит, однако этот материал требует использования агрессивных химических веществ для очистки и подготовки. Эти процессы не просто дороги сами по себе. Их побочным продуктом являются опасные отходы, вредящие окружающей среде. Учёные решили использовать грибы шампиньоны как заменитель для графита по двум причинам. Во-первых, более ранние исследования показали, что эти грибы – очень пористые, а это свойство важно при создании аккумулятора (большее количество отверстий позволяет запасать и передавать больше энергии, что повышает производительность). Во-вторых, они содержат много солей калия, а значит, могут привести к созданию батарей, активных в течение долгого времени, по сути, даже повышающих собственную мощность со временем. Учёные обнаружили, что, кожица со шляпки двуспоровых шампиньонов при нагреве до 500 градусов Цельсия превращается в структуру из естественных углеродных нанолент. После нагрева до 1100 градусов она превращается в пористую сеть углеродных нанолент (материал с большой площадью поверхности, пригодный для хранения большего количества энергии). Исследователи говорят, что, если дальше оптимизировать процесс, углеродные аноды, полученные из грибов, могут стать достойной альтернативой обычным графитовым анодам. «С подобными материалами аккумуляторы мобильных телефонов будущего будут не разряжаться быстрее со временем, а напротив, начнут дольше держать заряд из-за активизации пор внутри углеродных структур», – комментирует Бреннан Кэмпбелл, аспирант Калифорнийского университета в Риверсайде и один из соавторов работы.
Люк Боузер, работающий в университете британского города Лидса, вместе с коллегами задумался над тем, можно ли использовать белки, создаваемые для укрепления скелетов животных, при выращивании новых деталей электроники. Его команда в качестве основы для своей работы выбрала силикатеины – белки, строящие скелеты морских губок. Используя методы размножения ДНК, учёные вырастили миллионы мутаций ДНК, кодирующих силикатеины. Мутации возникали естественным путём во время процесса роста, так что в итоге получилось множество вариантов белков. А это привело к тому, что некоторые силикатеины приобрели способность строить разнообразные минеральные кристаллические структуры. Затем исследователи прикрепили ДНК к миниатюрным полистирольным шарикам и поместили их в раствор с кремнийсодержащим соединением. Группа Боузера стремилась отобрать белки, способные брать из раствора кремний и строить вокруг шариков кремниевые структуры, одновременно обеспечивая доступ к ДНК на поверхности шарика, ибо им легче было собирать и размножать те ДНК, которые создавали самые многообещающие кристаллы диоксида кремния. И каков конечный продукт? – Белки, создающие кремниевые структуры, каких не знает природа. При дальнейшем развитии технологий можно добиться того, чтобы выращивать кристаллические структуры кремния нужного размера и формы для применения в технике.
Исследователи из Университета Техаса в Остине создали новый экологически чистый антипирен из вещества, которое содержится в морских мидиях. Существующие антипирены часто являются токсичными и могут накапливаться в течение долгого времени в окружающей среде и живых организмах, включая человека. Огнезащитные добавки включаются в состав современной мебели, автомобильной обивки и многих других потребительских товаров. С течением времени эти химикаты могут выделять токсичные вещества в окружающую среду и оказывать вредное воздействие на здоровье людей. Исследователи обнаружили, что синтетическое покрытие из полидопамина, полученного из допамина, обладает весьма эффективными огнезащитными свойствами. Исследователи считают, что их покрытие можно использовать вместо обычных антипиренов. «Поскольку полидопамин является природным и уже присутствует в животных, то вопрос о токсичности сразу уходит, – сказал руководитель исследования Кристофер Эллисон. – Мы считаем, что полидопамин может легко заменить антипирены, используемые во многих продуктах, что сделает их более безопасными для детей и взрослых». Покрытие из полидопамина наносили на внутреннюю и наружную поверхности пенополиуретана путём простого погружения в водный раствор допамина в течение нескольких дней. Было обнаружено, что применение покрытия из полидопамина для пенопластов привело к значительному снижению интенсивности пламени. Возможность огнезащитных покрытий из полидопамина по уменьшению интенсивности пожара на 20% лучше, чем у существующих антипиренов, при этом необходимо относительно малое количество полиподамина для защиты горючих материалов от огня.
Учёные из Кардиффского университета (Великобритания) придумали инновационный способ добычи водорода из обычной овсяницы, что может сильно повлиять на сферу энергетики в целом. Водород уже давно признан чрезвычайно перспективным альтернативным видом топлива: обладая высоким содержанием энергии, он не выделяет парниковых газов при сгорании. Однако процесс получения этого топлива сам по себе не является экологически чистым, к тому же он дорогостоящий, так как при этом расходуются огромные запасы природного газа и угля. Данные факты заставляют учёных придумывать альтернативные и более безопасные способы получения водорода. Одно из самых перспективных исследований ведётся учёными из Кардиффского университета в Великобритании, которые сотрудничают с исследователями из Королевского университета в Белфасте. В ходе своего исследования учёные разрабатывают эффективный способ получения водорода из целлюлозы с помощью солнечного света и катализатора. В экспериментах были использованы три металлических катализатора на основе палладия, золота и никеля – последний представляет для исследователей наибольший интерес из-за его распространённости в природе и ценовой доступности. Команда смешала три катализатора с целлюлозой в специальной колбе и поместила систему под настольную лампу, при этом состав смеси измерялся каждые 30 минут. После этого эксперимент повторили с использованием обычной травы. В результате исследователям удалось убедиться, что данный процесс действительно позволяет получать значительное количество водорода. По словам исследователей, использование дешёвого катализатора в виде никеля и обычной травы для получения водорода делает из их исследования по-настоящему инновационными.
Химики из университета Бата синтезировали биопластик, используя вещество, которое содержится в смоле хвойных деревьев. Исследователи надеются, что материал, полученный целиком из возобновляемых ресурсов, будет использоваться как упаковка для пищевых продуктов, а также для создания медицинских имплантатов. Сырьём для производства экологичных материалов, таких как полилактид (полимолочная кислота), служат возобновляемые ресурсы: кукуруза и сахарный тростник. Помимо этого достоинства, полилактиды также обладают хорошей биосовместимостью, что позволяет использовать их в качестве медицинских имплантатов. Однако одним из существенных недостатков полимеров молочной кислоты является их низкая прочность и эластичность. Чтобы сделать полилактид более гибким, к нему добавляют капролактон, получаемый из нефти. Такая добавка делает биопластик не полностью возобновляемым материалом. Теперь химики из Англии заменили капролактон на пинен – вещество циклического строения, относящееся к классу терпенов, которое получают из смолы хвойных деревьев. Именно пинен придаёт ели её характерный аромат. Их работа поможет производить биопластмассу полностью из возобновляемых ресурсов. Пока учёные получили всего несколько граммов экологичного материала, однако химики работают над созданием методики, которая позволит перенести синтез биопластика из лаборатории в масштабное производство.
Исследователи из Германии предложили очень перспективный метод для создания пены из древесных частиц. Полученную вспененную древесину можно использовать точно так же, как и обычные пенопласты, но они представляют собой полностью натуральный продукт из устойчивого сырья. Другим преимущество является то, что в отличие от обычных вспененных продуктов, вспененная древесина может быть с лёгкостью переработана после использования. Например, если брать её в качестве упаковочного материала, то после использования она просто перерабатывается как макулатура. Новый материал имеет настолько большой потенциал, что выиграл премию GreenTec Awards 2015 в категории «Строительство и жизнь». Для производства такой пены сначала очень мелко измельчают древесину, пока крошечные частицы дерева не превратятся в вязкую массу. Затем они добавляют к этой суспензии газ, чтобы вспенить её, и дают затвердеть. Процессу отверждения способствуют природные вещества, содержащиеся в самой древесине. Полученное вспененное дерево представляет собой лёгкий материал, из которого могут быть сформированы жёсткие пластины или гибкие листы. Как и другие продукты на основе древесины, они могут быть легко распилены или разрезаны для получения желаемых размеров. Древесная пена является идеальным материалом для теплоизоляции дома, где необходимо сохранить тепло внутри и создать уютную обстановку для обитателей здания. Некоторые альтернативные древесные теплоизоляционные материалы, такие как древесно-волокнистые плиты, менее устойчивы к деформации, чем пенопласт, поскольку имеют тенденцию постепенно разрушаться под действием собственного веса из-за накопления влаги, особенно в середине. А вспененное дерево в этом отношении ведёт себя как и обычные пенопласты. Учёные проанализировали свою разработку в соответствии с действующими стандартами для изоляционных материалов и получили весьма обнадёживающие результаты, причём не только с точки зрения их теплоизоляционных свойств, но и механических, и гидродинамических свойств. Другими словами, вспененная древесина изолирует тепло, также как обычные пенопласты, но устойчиво к давлению и влажности.
В США доктор Малькольм Браун, профессор из Университета Техаса, представил революционный способ «выращивания» наноцеллюлозы, который, по его мнению, является одним из самых важных открытий в биологии растений. Наноцеллюлоза – материал, представляющий собой набор наноразмерных волокон целлюлозы с высоким отношением длины к диаметру. Типичный диаметр такого волокна 5-20 нм, а длина варьируется от 10 нм до нескольких микрон. Материал обладает свойством псевдопластичности, т.е. является вязким при обычных условиях и ведёт себя как жидкость при физическом воздействии (тряске, взбалтывании и т. п.). Удивительные свойства наноцеллюлозы позволяют создавать на её основе сверхлёгкие и сверхпрочные материалы, такие, например, как аэрогель. Предметом исследования доктора Брауна были чайный гриб (симбиоз дрожжевых грибков и уксусно-кислых бактерий) и его бактерии, которые способны производить наноцеллюлозу в культурной среде. Но для производства таким способом в промышленных масштабах потребовалось бы большое количество сахара, питательных веществ и огромные бродильные чаны. Метод же профессора Брауна гораздо более эффективен и экологически чист. Единственное, что для него нужно – это вода, солнечный свет и водоросли. Учёный «внедрил» выделенные из ацетобактерий гены в сине-зелёные водоросли, заставив их производить наноцеллюлозу. Потенциально, такой способ позволит создавать целые органические заводы по производству материала в промышленных масштабах. Появятся фермы, производящие наноцеллюлозу в больших количествах и недорого, да ещё и с поглощением углекислого газа из атмосферы. Тогда наноцеллюлоза может стать сырьём для производства биотоплива, и станут экономически эффективны многие области её применения.
Группа биохимиков под руководством Джеймса Ляо из университета штата Калифорния в Лос-Анжелесе создала особый штамм бактерий из рода Ralstonia, которые поглощают углекислый газ и перерабатывают его в бутанол и другие простые спирты, которые можно использовать в качестве биотоплива. Эта бацилла относится к особому классу бактерий, которые могут питаться водородом и не нуждаются в кислороде или в других особых условиях среды для выживания. Ферменты из семейства гидрогеназ – окислителей водорода – являются ключевым элементом микроба для его выживания. Джеймс Ляо и его коллеги вставили в геном Ralstonia eutropha несколько генов, заставляющих ее превращать излишки энергии в бутанол и другие органические спирты. Осталось найти надёжный и безопасный источник водорода – использование чистого водорода было бы крайне опасным занятием, так как любая утечка может обернуться мощнейшим взрывом. Учёные воспользовались тем, что бактерия умеет использовать молекулы муравьиной кислоты в качестве источника водорода. Ralstonia eutropha поглощает молекулы кислоты, расщепляет её на молекулу водорода и углекислого газа и использует первую как «топливо», а вторую – в качестве «стройматериалов» клетки. При этом муравьиную кислоту достаточно легко получить, если одновременно пропускать через воду углекислый газ и электрический ток. Биохимики проверили работу бактериальной «мануфактуры», поместив колонию бактерий в сосуд, через который пропускался электрический ток и углекислый газ. К разочарованию учёных, ток блокировал рост колонии, так как в жидкости постоянно появлялись токсичные для микробов пероксид водорода, оксид азота и атомарный кислород. Исследователи решили эту проблему, обернув анод тонким слоем пористой керамики. Керамическая «чаша» действовала как частично проницаемая мембрана, пропускающая молекулы муравьиной кислоты и препятствующая «побегу» токсичных соединений. По оценке руководителя проекта, такая конструкция позволяет колонии расти, вырабатывает приемлемое количество биотоплива и может применяться для получения биотоплива из электричества, вырабатываемого солнечными батареями, ветряками и другими возобновляемыми источниками энергии.
С чего начинается изготовление любой деревянной мебели? Обычно дерево срубают, а уж потом думают, что из него сделать: табуретку, детский стульчик, кухонный стол или шкаф. Традиционный подход к этому вопросу буквально перевернул с точностью до наоборот мебельных дел мастер из Великобритании Гэвин Манро. Его мебель сначала растёт, как задумано мастером в виде стола, лампы или кресла, а после того, как она достигнет нужных размеров, её срубают. Фантастика? Вовсе нет! Идея «живой мебели» пришла к Манро, когда он наблюдал за маминым деревцем бонсай, а став взрослым Гэвин создал целую компанию по выращиванию мебели – Full Grown. За последние несколько лет они «вырастили» более 300 «живых» ивовых стульев, буквально «уговаривая» их расти так, как задумал дизайнер. Вся «выращенная» Манро мебель монолитна, она не требует «распила на детали», склеивания или сколачивания гвоздями. Сначала высаживают ивовые деревья, обильно поливаемые в процессе роста, при этом молодой саженец ивы всего за несколько недель принимает заданную форму будущей мебели и направление её роста. Следующий этап более долгий, он занимает 2-3 года, пока дерево не укрепится и до 6 лет, пока форма не станет устойчивой. Конечно, чтобы получить эксклюзивный ивовый или дубовый стул, возможно, придётся ждать несколько лет, но, во-первых, поля компании уже полны как новых заготовок, так и практически готовых к выходу в свет изделий, а во-вторых, тем они и ценнее, что должны быть выдержаны, как хороший коньяк. В 2008 году под производство Гэвин Манро отвел участок площадью 1 гектар в английском городке Уирксворд. Сейчас там растёт примерно 400 стульев, столов и абажуров. Технология выращивания мебели поистине удивительна! Ведь значительную часть работы выполняет природа, мастер лишь корректирует и доводит до блеска каждое изделие. Команда мебельщиков-садоводов занимается выращиванием деревьев вокруг рам и каркасов, превращающихся в стулья, столики, торшеры, светильники, люстры и рамы для зеркал. Проект был запущен ещё 10 лет назад и этой осенью будет собран первый значительный урожай зеркал, люстр, светильников, а в 2016 году Манро планирует собрать новый «урожай» из полусотни новых столов и стульев. Пока среди сырья для его новаторской мебели лидирует ива, но уже ведутся эксперименты по созданию живой мебели из орешника, ясеня, клёна, платана, дикой яблони, красного и скального дуба. Да и модельный ряд вскоре может значительно вырасти, Гэвин Манро планирует вырастить комоды и книжные полки. Что касается стоимости такой мебели, то она «кусается» – примерно 2500 фунтов стерлингов, а светильники и рамы около1500 фунтов за экземпляр.
К чему последняя ненаучная экзотика на грани делового помешательства? – Во-первых, как пример нетривиального подхода к решению тривиальной задачи. Во-вторых, как образец приложения наблюдений за окружающим миром к производственному процессу. Мозг учёного так заточен, что замечает то, мимо чего обыватели проходят, головы совсем не оборачивая: оно уже есть среди окружающего мира, остаётся только всем остальным показать. Голова инженера, так повёрнута, что примечает то, что можно к делу приложить, мозги особо не напрягая: оно уже изобретено природой или другими, остаётся только вставить в своё изделие или технологию.
В любом деле, в любой информации можно найти рациональные зерна, коли с головой к тому делу или информации подойти. Мозг учёного так устроен, что он во всем ищет ответы на свои вопросы, если тот всерьёз голову над какой-то проблемой ломает. Даже во сне. Даже при чтении ерунды всякой, когда заряд творца на решение вдруг так высветит проблему, что она совершенно в ином свете предстанет, а выход из тупика рядом окажется. Только немного сбоку. Не в том направлении, куда научная рутина затянула. Научные изыскания часто идут параллельными путями. Над одной и той же проблемой бьются пытливые умы сразу в нескольких институтах и лабораториях. Особенно если проблема востребована обществом. Бьются, не ведая о проведении аналогичных работ. Не потому что знать ничего не хотят о том, что в мире творится, а потому что некогда. Нет времени по той же паутине лазить. А в ней много чего найти можно. В том числе и информацию о других работах, которую в своей работе задействовать можно. И как информацию к размышлению, и как вести о коллегах, и как аргументацию в отстаивании своего проекта перед руководством – раз другие по этой тематике работают, значит, тема востребована и надо активизировать свои исследования в этом направлении, чтобы на обочине не оказаться. Для того и представлена вышеприведённая информация, представляющая собой подборку вестей с полей интернета по тематике данной главы. И задача обзора – не столько просвещать, сколько мозги включать. Не в плане, что надо, а что не надо исследовать, а в расчёте на использование в чьей-то работе для более быстрого выхода на конечную цель, без отвлечения на решение уже решённых задач.
Подытоживая все сказанное в этой главе, стоит ещё раз повторить, что одним из важнейших направлений современного развития научно-технического прогресса является смена парадигмы: от экстенсивного к устойчивому развитию с акцентом на максимальное сохранение природы и её самого активного члена – человека, деструктивная активность которого по отношению к природе достигла критического уровня. Антропогенный фактор в нарушении экобаланса со всеми вытекающими из этого негативными последствиями стал доминирующим. В связи с этим в развитых странах общество и правительства ставят задачу и принимают программы национального и интернационального характера по защите окружающей среды. Пришла пора спасать планету от неразумной избыточной эксплуатации её ресурсов человеком. В ответ на этот вызов времени в конце XX века сформировалось и продолжает развиваться в настоящий момент новое направление науки и практики под названием «зелёные технологии», охватывающее практически все сферы деятельности человека.
В перспективе ожидается дальнейшее ускоренное развитие широкого спектра экологически чистых технологий. К наиболее острым глобальным экологическим проблемам сегодня относят изменение климата, доступ к качественной воде и другим ресурсам, утрату биоразнообразия, поэтому можно предположить, что развитие технологий будет направлено на их решение. При этом «зелёные технологии» не сводятся к частным случаям. «Зеленые технологии» – это и экологически безопасное сырье, и экологически безопасные конечные продукты, и экологически безопасные технологии производства.
Иллюстрация: Мир технологий
«Зеленые» технологии на службе у IT-гигантов
