Фотосинтез, искусственный. ЭлектроВести - Искусственный фотосинтез: революция в солнечной энергетике, но попозже Глобальный энергетический кризис, или Зачем нужен искусственный фотосинтез
Фотосинтез - это преобразование энергии сета в химическую энергию. Под воздействием электромагнитного излучения видимого спектра вода и диоксид углерода преобразуются в молекулярный кислород и глюкозу, так же происходит разделение воды на водород и кислород.
Тем самым искусственный фотосинтез имеет два направления, задачи:
- Преобразование углекислого газа из атмосферы (борьба с парниковым эффектом, загрязнениями и как побочный продукт — топливо и прочие соединения).
- Получение из воды водорода, который будет использован для получения электроэнергии и как топливо.
Искусственный фотосинтез стал возможным благодаря применению искусственных наноразмерных супрамолекулярных систем.
Преобразование углекислого газа
Принцип работы системы искусственного фотосинтеза подразумевает преобразование атмосферного углекислого газа в органические соединения при помощи энергии света.
Полученные химические образования в дальнейшем будут использоваться для производства топлива, различных видов пластмасс и фармацевтических препаратов. Кроме энергии солнца, химическая реакция не требует дополнительных источников питания.
Технология искусственного фотосинтеза позволяет преобразовать углекислый газ в метанол. Инновационная система приводится в действие специальными бактериями и энергией солнечного света. Эта разработка позволит человечеству сократить объемы использования ископаемых видов энергоносителей – угля, нефти и природного газа.
Технология преобразования CO2 в промышленных масштабах должна изменить многие негативные с экологической точки зрения процессы на планете. В чатсности за этим направлением многие специалисты видят способ борьбы с глобальным потеплением.
Вариант установки искусственного фотосинтеза
В процессе естественного фотосинтеза листья с помощью энергии солнца перерабатывают двуокись углерода, которая реагирует с водой и формирует биомассу растения. В системе искусственного фотосинтеза, нанопровода из кремния и двуокиси титана получают солнечную энергию и доставляют электроны бактериям Sporomusa ovata, благодаря чему углекислый газ перерабатывается и вступает в реакцию с водой, давая на выходе различные химические вещества, в том числе — ацетаты.
Генетически модифицированные бактерии Escherichia coli способны трансформировать ацетаты и уксусную кислоту в сложные органические полимеры, которые являются «стандартными блоками» для получения полимеров РНВ, изопрена и биоразлагаемого n-бутанола. Полученные соединения входят в состав распространенных химических продуктов – от лакокрасочных материалов до антибиотиков.
Искусственный лист
Усилиями английского ученого Джулиана Мелкиорри был разработан синтетический лист, способный выполнять функции фотосинтеза. Искусственный зеленый лист использует хлоропласты, полученные из обычных растений. Согласно технологии, хлоропласты помещены в белковую среду, благодаря которой они равномерно распределяются по толще жидкости и не коагулируют. Предполагается, что данная разработка будет использоваться в городских условиях для производства кислорода. Не исключено, что синтетический лист найдет применение и в сфере космических исследований.
Подобный симбиоз полупроводниковых элементов с живыми организмами может стать фундаментом для дальнейшей разработки программируемой системы фотосинтеза, которая будет производить широкий ряд органических веществ, используя для этого только солнечную энергию. Если будущая система будет корректно работать, человечество сможет создавать пластмассу и горючее топливо буквально из воздуха.
Энергия из фотосинтеза
Как и естественные преобразователи солнечной энергии, искусственные фотосистемы должны состоять из таких компонентов:
- Улавливатель солнечного излучения,
- Центр проведения реакций,
- Средство хранения полученной энергии.
Важнейшая задача, которую решают в лабораториях — повышение КПД искусственного фотосинтеза. Поэтому значительная часть работы сводится к поиску оптимальных материалов для создания каждого из вышеперечисленных блоков.
Систему искусственного фотосинтеза с высоким КПД и наноразмерами ждут в робототехнике, в частности в сфере создания нанороботов, где вопрос обеспечения энергией один из ключевых.
Компактные установки для получения энергии из фотосинтеза предположительно заменят солнечные батареи и ветряки на домах с нулевым потреблением, а также имеют перспективы для интеграции в системы умного дома, специализированные на энергетическое самообеспечение.
В 1976 году д-р Джозеф Кац, из Aragon Nat., Штат Иллинойс, США, создал "искусственный лист", так назвала пресса открытие искусственного фотосинтеза.
На самом деле речь шла о топливном элементе, произведенном во время одной из стадий фотосинтеза, а именно той, в которой фотоны сталкиваются с хлорофиллом, способствуя выбросу электронов. Открытие является источником дешевой энергии из воды и хлорофилла, а также источником водорода, который считают идеальным топливом. В то же время оно представляет собой важный шаг на пути искусственного синтеза органических веществ (углеводов и жиров).
Фотосинтез - это процесс, в ходе которого, используя свет в качестве источника энергии, растения синтезируют из углерода, происходящего из простых неорганических веществ (диоксид углерода), сложные органические вещества. Операция проходит в специализированных клеточных органеллах, называемых хлоропластами, которые содержат необходимый для осуществления действия зеленый пигмент - хлорофилл. Процесс является чрезвычайно сложным.
На первом этапе фотосинтеза хлорофилл поглощает фотоны света из солнечного излучения и в ответ вырабатывает эквивалентное количество электронов. Эти электроны приводят к образованию ферментов, необходимых для осуществления последующих стадий фотосинтеза. Хлорофилл восстанавливает электроны в молекулах воды в ходе процесса, называемого фотолиз воды, проходящего при участии одного из ранее сформированных ферментов, катализированных структурами, содержащими атомы марганца и кальция. Молекулы воды расщепляются на ионы водорода и кислорода; водород участвует в химических реакциях, приводящих к образованию молекул АТФ, а кислород выделяется в атмосферу и используется бесчисленными организмами для дыхания.
На втором этапе растения поглощают из атмосферы и с помощью ряда ферментов в цепи сложных операций строят из углерода, выделенного из CO2, такие углеводы, как сахароза или крахмал, а из них и другие органические вещества.
В данном процессе важна его эффективность: почти ничего не теряется, биохимические циклы работают с большой скоростью и точностью, которые кажутся неправдоподобными, ферменты постоянно перерабатываются и возрождаются.
Фотосинтез является феноменом, который несмотря на изученность до мельчайших деталей, по-прежнему является чудом.
Недавно группа исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) под руководством профессора Даниэля Г. Nocera объявила, что она получила то, что они называют "первым искусственным листом" : солнечную мини-панель размером с игральную карту, из недорогого, стабильного и устойчивого к износу полупроводникового материала, покрытого соединениями катализаторов, который при погружении в воду, имитирует процесс фотосинтеза с высокой степенью эффективности.
Если вам понравился этот материал, то предлагаем вам подборку самых лучших материалов нашего сайта по мнению наших читателей. Подборку - ТОП об экологически безопасных технологиях, новой науке и научных открытиях вы можете найти там, где вам максимально удобноВ то время как солнечные панели ограничены теоретическими пределами своей эффективности, где-то есть место для искусственного фотосинтеза, давно забытого братца солнечных панелей.
Весьма вероятно, что люди продолжат сжигать жидкое и твердое топливо, которое горит, в то время как солнечные панели смогут лишь обеспечить нас электричеством.
В 1912 году в Science была опубликована статья, в которой профессор Джакомо Чамичан писал следующее: «Уголь предлагает солнечную энергию человечеству в ее самой концентрированной форме, но уголь исчерпаем. Неужели ископаемая солнечная энергия - единственное, что может использовать современная жизнь и цивилизация?». И позже, в этой статье, он добавляет:
«Стеклянные здания будут повсюду; внутри них будут протекать фотохимические процессы, которые до сих пор были охраняемым секретом растений, но которые будут осваиваться человеческой промышленностью, она узнает, как заставить их давать еще более изобильные плоды, чем природа, поскольку природа никуда не торопится, а человечество наоборот. Жизнь и цивилизация будут продолжаться до тех пор, пока светит солнце».
Изменение климата дает новый импульс исследованиям искусственного фотосинтеза. Растения делают кое-что еще полезное: улавливают углекислый газ. Большинство климатических моделей, которые позволяют нам уложиться в лимит Парижского соглашения (2 градуса по Цельсию), требуют большого количества биоэнергии с улавливанием и хранением углерода. Это технология отрицательных выбросов, когда растения захватывают углекислый газ, превращаются в биотопливо и затем сгорают. Углерод улавливается и секвестрируется под землей.
Искусственный фотосинтез может быть углерод-отрицательным источником жидкого топлива вроде этанола. Защитники экологии зачастую обращаются к «водородной экономике» как к решению проблемы снижения углеродных выбросов. Вместо того чтобы заменять всю нашу инфраструктуру - полагающуюся на твердое и жидкое топливо - мы просто заменяем топливо. Топливо вроде водорода или этанола можно производить при помощи солнечной энергии, как в искусственном фотосинтезе, так что мы продолжим использовать жидкое топливо с меньшим ущербом окружающей среде. Всеобщая электрификация может быть более сложным процессом, чем просто переход от бензина к этанолу.
Искусственный фотосинтез определенно стоит исследовать. И за последние годы были сделаны большие шаги. Мощные инвестиции от правительственных и благотворительных фондов вливаются в солнечное топливо. Исследуется несколько разных фотохимических процессов, некоторые из которых уже обладают потенциалом быть более эффективными, чем даже растения.
В сентябре 2017 года Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли описала новый процесс, который может превращать CO2 в этанол, который затем можно использовать в качестве топлива, и этилен, который нужен для производства полиэтиленового пластика. Это стало первой демонстрацией успешного преобразования диоксида углерода в топливо и прекурсоры пластика.
В недавно опубликованной работе в Nature Catalysis обсуждалась техника, при которой фотоэлектрические панели подключаются к устройству, электролизующему диоксид углерода. Затем анаэробный микроб превращает диоксид углерода и воду, пользуясь электрической энергией, в бутанол.
Они отметили, что их способность превращать электроэнергию в желаемые продукты была эффективна почти на 100%, а система в целом смогла достичь 8% эффективности преобразования солнечного света в топливо. Может показаться, что это небольшая цифра, но 20% - это прекрасно для солнечных панелей, напрямую преобразующих солнечный свет в электричество; даже самые продуктивные растения, такие как сахарный тростник и просо, набирают не больше 6% эффективности. То есть это сопоставимо с биотопливом, которое в настоящее время используются, вроде кукурузного биоэтанола, так как кукуруза менее эффективна в преобразовании солнечного света в накопленную энергию.
Другие формы искусственного фотосинтеза сосредоточены на водороде как возможном топливе. Исследователи из Гарварда недавно представили впечатляющую версию «бионического листа», который может превращать солнечную энергию в водород. Одним из главных его преимуществ является то, что его эффективность быстро растет, если дать ему «подышать» чистым углекислым газом. Если мы собираемся жить в будущем, в котором огромные объемы диоксида углерода извлекаются из атмосферы, теперь у нас будет весьма неплохое для них применение. Хотя в последнее время люди недолюбливают эту идею (термодинамика использования электричества для расщепления воды на водород и кислород не всегда идеальна), все еще проводятся исследования на тему топливных ячеек для автомобилей и водорода для обогрева домов, особенно в Японии.
Одна из проблем, связанных с любыми усилиями по созданию искусственного фотосинтеза, состоит в том, что чем больше шагов у вас будет в процессе конверсии, тем больше энергии будет потеряно на этом пути. Использование электрифицированных приборов с энергией, вырабатываемой напрямую от солнца, будет куда более эффективным, чем любая схема по превращению электричества и диоксида углерода в топливо, которое вы затем будете сжигать для восстановления доли электрического ввода.
Кроме того, с экологической и практической точки зрения, строительство миллиардов искусственных растений может оказаться куда менее осуществимым, чем посев семян для нескольких хорошо выбранных видов биотоплива. С другой стороны, эти растения зачастую требуют хорошей почвы, которая быстро ухудшается из-за сельскохозяйственного давления. Биотопливо уже заподозрили в использовании земли, которая могла бы накормить растущее население. Плюс искусственного фотосинтеза в том, что вы можете увидеть, как эти «растения» процветают в пустыне или даже в океане.
Как это часто бывает, мы черпаем вдохновение у природы - но понять ее, подчинить и даже улучшить представляет для нас проблему.
) — процесс конверсии световой энергии в химическую с использованием синтетических супрамолекулярных наноразмерных систем.
Описание
Для устойчивого развития человечеству к 2050 г. необходимо производить 10 ТВт/ч «чистой» энергии, не связанной с выделением парниковых газов. Самый перспективный способ получения «чистой энергии» - использование солнечного излучения. Существует три основных способа применения наноструктур для конверсии солнечной энергии: 1) искусственный фотосинтез с использованием донорно-акцепторных супрамолекулярных ансамблей и кластеров; 2) фотокаталитическое производство водорода; 3) солнечные батареи на основе наноструктурных .
Искусственная фотосистема для превращения световой энергии в химическую должна, как и природная, содержать три основных компонента - фотоантенну, реакционный центр и систему хранения энергии. Фотоантенна поглощает энергию света, а уже затем передает ее в реакционный центр, в котором происходят химические реакции. В фотосистемах высших растений и цианобактерий такую роль играют молекулы .
В природных фотосистемах параметры всех трех компонентов - пространственные, электронные, кинетические и термодинамические - оптимизированы для достижения максимального квантового выхода. В искусственных фотосистемах, кроме высокого квантового выхода, надо достичь как можно большей доли конверсии световой энергии в химическую. При дизайне каждого из этих компонентов надо ответить на два главных вопроса: 1) из каких веществ - хромофоров, - они должны состоять; 2) как собрать эти вещества в единую работающую систему? Фактически, необходимо выбрать «строительные блоки» и придумать способ их соединения между собой.
Проще всего эта задача решается для искусственных фотоантенн (см. также ). В качестве хромофоров выбирают металлопорфирины - тетрапиррольные комплексы металлов, а также их производные. Наиболее популярны порфирины с ионами цинка, магния и платиновых металлов, а также свободные порфирины, в которых центральный атом металла отсутствует. Порфирины соединяют в единую фотоантенну методами , т. е. посредством нековалентных взаимодействий, либо с помощью ковалентных связей (рис.). Варьируя пространственную структуру антенны и состав боковых цепей порфиринов, можно управлять потоком энергии по антенне.
Современное состояние проблемы искусственного фотосинтеза таково, что принципиально решен вопрос синтеза отдельных узлов фотосистемы (фотоантенны, реакционного центра и системы хранения энергии) и их соединения друг с другом. Задача теперь состоит в том, чтобы улучшать характеристики этих систем, сохранив их основное преимущество перед природными - простоту организации.
Иллюстрации
Автор
- Еремин Вадим Владимирович
Источники
- Kamat Prashant V. Meeting the Clean Energy Demand: Nanostructure Architectures for Solar Energy // J. Phys. Chem. C. 2007. V. 111. P. 2834–2860.
- Gust D., Moore T. A., Moore A. L. Mimicking Photosynthetic Solar Energy Transduction // Acc. Chem. Res. 2001. V. 34. P. 40–48.
- Martin N., Sanchez L., Herranz M. A. et al. Electronic Communication in Tetrathiafulvalene (TTF)/C60 Systems: Toward Molecular Solar Energy Conversion Materials? // Acc. Chem. Res. 2007. V. 40. P. 1015–1024.
Бесконтрольное потребление ископаемых ресурсов привело мир на порог эколого-энергетического кризиса. В подобной обстановке необходим принципиально иной источник энергии, который, с одной стороны, вписывался бы в наш нефтяной мир, а с другой - был бы возобновим, экологически чист и экономически выгоден. Возможное решение - искусственный фотосинтез (ИФ), благодаря которому на свет уже появились рукотворные установки для синтеза органики из электричества, света, а также удивительные полупроводниковые бронебактерии-фотосинтетики.
Глобальный энергетический кризис, или Зачем нужен искусственный фотосинтез
Сегодня и без того большое население планеты увеличивается на 1% ежегодно . Растущие с каждым годом энергетические потребности человечество удовлетворяет прежде всего за счет ископаемых ресурсов. Но уже ни для кого не секрет, что запасы нефти и угля ограничены и в большинстве случаев невозобновимы . Когда их объемы перестанут соответствовать глобальным темпам развития (или даже израсходуются), мир столкнется с энергетическим кризисом небывалых масштабов.
Уже сейчас можно наблюдать ожесточенную борьбу, развязавшуюся на мировой арене за крупные источники ископаемого топлива. В перспективе горючего будет всё меньше, а конфликты интересов будут происходить всё чаще.
Последние два века человечество было ослеплено доступностью ископаемых энергоносителей и разработало множество основанных на них технологий, без которых жизнь сегодня просто немыслима. Сначала были уголь и паровозы, затем люди научились получать электричество, сжигая тот же уголь, производить газовые плиты, частный и общественный транспорт - всё это требует расхода запасенных миллионы лет назад органических веществ. Используя энергию этих веществ, человечество совершило скачок во многих областях общественной жизни: численность мирового населения превысила 7 млрд , в пустынях возникли цветущие города и государства, производственные мощности и уровень потребления увеличиваются год от года. Без сомнения, современный мир немыслим без угля, нефтепродуктов и газа.
Здесь проявляется дилемма современной энергетики: с одной стороны, абсолютно очевидна необходимость перехода на возобновляемые источники энергии, с другой - мир не приспособлен для потребления такой энергии. Однако в последнее десятилетие всё активнее ведутся разработки источника энергии, который мог бы решить эту дилемму. Речь идет об искусственном фотосинтезе (ИФ) - способе превращать энергию солнца в удобную форму органического горючего.
Нельзя забывать, что сжигание топлива приводит к массивным выбросам СО 2 в атмосферу, негативно влияющим на состояние всей биосферы. В крупных городах это влияние особенно заметно: тысячи дымящих машин и предприятий образуют смог, и каждый горожанин, выбравшись за город, прежде всего восхищается свежим воздухом. Создание источника энергии, который подобно растениям поглощал бы СО 2 и вырабатывал О 2 , могло бы остановить идущую на всех парáх деградацию окружающей среды.
Таким образом, ИФ - потенциальное решение как мирового энергетического, так и экологического кризисов. Но как же работает ИФ и чем он отличается от природного?
Несовершенство зелени
Рисунок 2. Нециклический фотосинтез у растений. Электрон покидает возбужденный светом хлорофилл фотосистемы II (ФС-II), а получившуюся «дырку» заполняют электроны, высвободившиеся при расщеплении воды. Конечный приёмник электронов - не пигмент фотосистемы, как у пурпурных бактерий, а НАДФ + . Еще одно отличие - у растений две фотосистемы (ФС-I и ФС-II) образуют сопряженный механизм, и для одного такта его работы требуется поглощение двух фотонов . На рисунке не показан b 6 f-комплекс.
Полученный градиент H + предоставляет энергию для синтеза АТФ с помощью фермента АТФ-синтазы , подобно тому, как падающая вода становится источником энергии для водяной мельницы (рис. 3). АТФ - универсальный переносчик химической энергии в клетке и участвует в абсолютном большинстве энергозатратных реакций, в том числе - в реакциях цикла Кальвина, обеспечивающих превращение СО 2 в восстановленную органику . В этом цикле бóльшая часть энергии расходуется на борьбу с побочными реакциями. Есть и другие пути ассимиляции углерода - например, путь Вуда-Льюнгдала , о котором будет написано дальше.
Рисунок 3. Запасание энергии света. При фотосинтезе белки-фотосистемы переносят протоны через мембрану за счет энергии фотонов. Фермент АТФ-синтаза сбрасывает образующийся градиент концентраций Н + и производит универсальный переносчик энергии в клетке - АТФ. Аналогия с вращающейся водяной мельницей, на самом деле, очень близка к реальности.
Хотя фотосинтез в конечном счете обеспечивает всю биосферу энергией, КПД этого процесса оставляет желать лучшего (табл. 1). Рекордсмен фотосинтеза - выращиваемое для производства биотоплива сорго , у которого эффективность перевода солнечной энергии в химическую составляет 6,6%. Для сравнения: у картофеля, пшеницы и риса - около 4% .
| Причина потери энергии | Потеря энергии | Остаток |
|---|---|---|
| Поглощение фотонов только видимой части спектра | 47% | 53% |
| Лишь часть светового потока проходит через фотосинтезирующие части листа | 70% | 37% |
| Хотя в видимом свете есть высоко- и низкоэнергетические фотоны, все они поглощаются фотосистемами как низкоэнергетические (своеобразный принцип каравана) | 24% | 28% |
| Потери при синтезе глюкозы | 68% | 9% |
| Очистка листа от побочных продуктов фотосинтеза (см. фотодыхание) | 32% | 6% |
В то же время типичный КПД для современных солнечных батарей - 15-20%, а опытные образцы достигли значения 46% , . Такая разница в КПД рукотворных фотоячеек и живых растений объясняется прежде всего отсутствием стадий синтеза. Но есть и более тонкое отличие: растительные фотосистемы извлекают энергию только из фотонов видимого света с длинами волн 400–700 нм, причем выход от высокоэнергетических фотонов ровно такой же, как и от низкоэнергетических. Полупроводники, применяемые в солнечных батареях, улавливают фотоны более широкого спектра. А для максимального выхода в одну батарею объединяются материалы, созданные специально для разных частей спектра солнечного света.
Конечная цель инженеров ИФ - создать установку (или искусственный организм), который бы осуществлял фотосинтез лучше растений. Сегодня биоинженерная мысль достигла уровня, на котором можно попытаться это сделать. И от года к году попытки ученых становятся всё ближе и ближе к заветной цели, заставляя нас дивиться невероятным открытиям.
Такой разный ИФ
Самая простая схема ИФ - полностью абиотический синтез органики на катализаторе . В 2014 году был открыт рутениевый катализатор, который при освещении синтезирует метан из H 2 и СО 2 . При оптимальных условиях, подразумевающих нагрев до 150 °С и интенсивное освещение, один грамм этого катализатора создает один миллимоль метана в час, что, конечно же, очень мало. Сами ученые, исследующие катализатор, признают, что такая скорость реакции при довольно высокой стоимости катализатора слишком низка для его практического применения.
Реальный фотосинтез - многостадийный процесс, на каждой стадии которого происходит потеря энергии . Отчасти это даже хорошо, потому что открывает большой простор для оптимизации. В случае же абиогенного фотосинтеза всё, что можно сделать - это придумать принципиально новый катализатор.
Совершенно иной подход к ИФ - создание биореакторов, работающих на солнечной энергии . В таких биореакторах, как ни странно, используют не фотосинтезирующие микроорганизмы, которые всё же могут фиксировать СО 2 , используя иные источники энергии.
Ознакомимся с несколькими типами конструкций аппаратов для ИФ на конкретных примерах.
В 2014 году были опубликованы результаты испытаний установки, которая переводит ток в биомассу с рекордным КПД 13% . Чтобы получить ИФ-реактор, достаточно подключить солнечную батарею. Эта установка по сути является электрохимической ячейкой (рис. 4а ), где два электрода помещены в питательную среду с бактериями Ralstonia eutropha (они же - Cupriavidus necator ). При подведении внешнего тока катализатор на аноде проводит расщепление воды на кислород и протоны, а катализатор на катоде - восстановление протонов до газообразного водорода. R. еutropha получает энергию для ассимиляции СО 2 в цикле Кальвина за счет окисления Н 2 ферментом гидрогеназой.
Рисунок 4. Биореакторы для ИФ на базе электрохимических ячеек. Ток может генерироваться за счет фотолиза воды на аноде при помощи солнечной батареи (а ) или без неё (б ) . В обоих случаях забранные у воды электроны обеспечивают микробам-автотрофам восстановительные эквиваленты, необходимые для фиксации СО 2 .
Согласно расчетам разработчиков, совмещение их установки с типичной солнечной батареей (18% КПД) приведет к суммарной эффективности фотосинтеза 2,5%, если переводить всю энергию света в рост биомассы, и 0,7% - если использовать генетически модифицированных бактерий, синтезирующих бутанол. Такой результат сравним с эффективностью фотосинтеза в реальных растениях, хотя и не достигает уровня культурных растений. Способность R. еutropha синтезировать органику при наличии Н 2 очень интересна не только в контексте ИФ, но и как возможное приложение водородной энергетики .
В 2015 году ученые из Калифорнии создали не менее интересную установку, где стадии светопоглощения и синтеза связаны более тесно . Фотоанод сконструированного реактора при освещении расщепляет воду на кислород, протоны и электроны, которые направляются по проводнику к катоду (рис. 4б ). Чтобы повысить скорость фотолиза воды, идущего на границе раздела фаз, фотоанод сделан из кремниевых нанопроводков, многократно увеличивающих его поверхность.
Катод этой установки состоит из «леса» TiO 2 -наностержней (рис. 5а ), среди которых растут бактерии Sporomusa ovata . Электроны от фотоанода поступают именно к этим бактериям, которые используют их как восстановительные эквиваленты для превращения растворенного в среде СО 2 в ацетат.
Рисунок 5. Искусственный фотосинтез немыслим без наноматериалов. а - В ИФ-реакторе из статьи СО 2 фиксируют бактерии, растущие в «нанолесу» из кремниевых стрежней, покрытых TiO 2 (слой 30 нм); этот нанолес создает необходимые бактериям анаэробные условия и повышает поверхностную плотность контактов бактерий с проводником. б - При принципиально ином подходе не бактерий помещают на полупроводник, а полупроводник - на бактерий; благодаря панцирю из CdS, умирающие на свету бактерии становятся фотосинтетиками.
Нанолес из TiO 2 выполняет сразу несколько функций: обеспечивает высокую плотность бактерий на контакте, защищает облигатно анаэробных S. ovata от растворенного в среде кислорода и тоже может преобразовывать свет в электричество, помогая бактериям фиксировать СО 2 .
S. ovata - бактерии с очень гибким метаболизмом, который легко подстраивается под рост в так называемом электротрофном режиме. Они фиксируют СО 2 по пути Вуда-Льюнгдала, в котором на рост биомассы идет только 10% ацетата, а оставшиеся 90% выбрасываются в окружающую среду.
Но сам по себе ацетат особой ценности не представляет. Для его перевода в более сложные и дорогие вещества в реактор вносят генетически модифицированных Escherichia coli , синтезирующих из ацетата бутанол, изопреноиды или полигидроксибутират. Последнее вещество E. coli производит с наибольшим выходом.
Что же до КПД всей установки, то он весьма низок. Только 0,4% солнечной энергии получается перевести в ацетат, а превращение ацетата в полигидроксибутират идет с КПД 50%. Суммарно только 0,2% световой энергии удается запасти в виде органики, которую можно дальше использовать как топливо или сырьё для химпроизводства. Разработчики считают основным своим достижением то, что созданная ими установка может использоваться для совершенно разных химических синтезов без принципиальных изменений в конструкции. В этом видна аналогия с природным фотосинтезом, где из полученного при ассимиляции СО 2 3-фосфоглицерата в конечном счете синтезируются всевозможные органические вещества .
В обеих описанных технологиях разработчики пытались совместить совершенство полупроводников как поглотителей световой энергии с каталитической мощью биологических систем. И обе полученные установки представляли собой «обратные» топливные элементы, где ток используется для синтеза веществ.
При принципиально ином подходе отдельные клетки объединяются с полупроводниками в единое целое. Так, в самом начале 2016 года была опубликована работа, в которой бактерию-ацетоген Moorella thermoacetica выращивали в среде с высоким содержанием цистеина и кадмия, . В результате обычно погибающая на свету М. thermoacetica покрывалась панцирем из CdS (полупроводника) и тем самым не только получала защиту от солнца, но и становилась фотосинтетиком: электроны от CdS поступали в путь Вуда-Льюнгдала (рис. 5б ).
Опыты над такой «бронированной» бактерией показали, что СО 2 фиксируется не только на свету, но и в темноте (при соблюдении суточного цикла). Причина этого - накопление метаболитов фотосинтеза на свету в таком количестве, что клетки не успевают их перерабатывать. Основное преимущество таких бактерий в сравнении с вышеописанными ячейками - самоорганизация. Для ячеек необходимо заранее изготавливать наноматериалы и катализаторы, а сами эти детали со временем только изнашиваются. В случае М. thermoacetica фотосинтетические единицы делятся, сами производят и ремонтируют всё необходимое, если в среде достаточно кадмия и цистеина. Этих бактерий пока не исследовали как источник топлива, но по значениям квантового выхода фотосинтеза они не уступают растениям.
Ждать осталось недолго...
Технологии ИФ находятся пока на стадии прототипов, но их разработчики видят большой простор для оптимизации. Оптимизировать можно полупроводники-светоуловители, микроорганизмы, пространственную организацию бактерий, прочие катализаторы. Но прежде всего необходимо решить проблему стабильности. КПД изготовленных установок заметно падает уже спустя несколько дней работы. Полностью готовый прибор для ИФ, подобно любой живой системе, должен регенерировать и самовоспроизводиться. В этой связи особенно интересны М. thermoacetica , к которым эти свойства относятся в полной мере.
И хотя существующие образцы далеки от совершенства, работы в области ИФ ценны прежде всего тем, что показывают принципиальную возможность встроить солнечную энергетику в мир, захваченный двигателем внутреннего сгорания. Ветряки и солнечные батареи, безусловно, обладают высоким КПД и уже практически полностью обеспечивают энергопотребление в Уругвае и Дании, а ГЭС - важные узлы в энергосети многих стран , . Но замена горючего электричеством в большинстве случаев требует кардинальной перестройки энергосетей и не всегда возможна.
Дальнейшее развитие ИФ требует массивных инвестиций. Можно представить, что фирмы - производители солнечных батарей, которым футурологи прочат мировое господство в области энергетики уже к 2030 , будут заинтересованы в развитии этой пока молодой и неопытной науки на стыке биоэнергетики, материаловедения и наноинженерии. Кто знает, может ИФ и не станет повседневностью будущего, а может, работа над ним даст толчок водородной энергетике или биофотовольтаике , . Ждать осталось недолго, поживем - увидим.
Литература
- Population Pyramids of the World from 1950 to 2100 . (2013). PopulationPyramid.net ;
- Корзинов Н. (2007).
