Колодяжный Сергей
ученик 10 класса
МОУ СШ № 14 «Зеленый шум»
г. Волжский
Новые технологии и жизнь
Искусственный фотосинтез. Микробиология/Энергетика будущего
В 1912 году в журнале «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 действительно, человечество в течение многих лет было ослеплено энергетическими возможностями нашей планеты. Такое бесконтрольное потребление ископаемых ресурсов поставило мир перед эколого-энергетическим кризисом. В такой ситуации необходим иной источник энергии, который был бы возобновим и вписывался в наш мир высоких технологий. Решение данной проблемы – искусственный фотосинтез (ИФ). Благодаря нему уже было созданы рукотворные установки для синтеза органики из электричества, света, а также удивительные полупроводниковые бронебактерии-фотосинтетики.
Данная технология представляет собой имитацию естественного процесса фотосинтеза для преобразования света, воды и углекислого газа в углеводы и кислород.
Можно задаться вопросом: “Для чего нужен искусственный фотосинтез, если у нас уже есть экологически чистые способы добычи энергии (ветряки, ГЭС и т.д.)?”. Действительно, это так, но если посмотреть на выработку энергии данными способами и на потенциально возможную энергию ИФ, то разница будет значительной. А если представить, что такая энергия будет доступна практически на всей планете в независимости от вида местности, ее рельефа, то это просто захватывает дух. Поэтому важнейшая задача, которую сейчас решают в лабораториях – повышение КПД искусственного фотосинтеза.
Технология ИФ имеет множество применений в современном мире. Если спросить у любого ребенка, что дают нам деревья, то он непременно скажет: “Чистый воздух”. Так и искусственный фотосинтез позволяет решить проблему с глобальным загрязнением воздуха планеты, только в отличии от растений, система искусственного фотосинтеза требуется не так много пространства для очищения воздуха, поэтому их можно расположить как и на земле, так и в более тесных помещениях, например в зданиях офисах.1
Не для кого не секрет, что население Земли растет с каждым годом. Такая тенденция влечет за собой все большее потребление пищи. Справиться с этой проблемой может система ИФ. Кроме воздухоочистительной функции, у ИФ дополнительным продуктом фотосинтеза является органический белок, который можно использовать для создания растительных пищевых продуктов.2
Искусственный фотосинтез способен справиться и с топливной проблемой. Применение фотосинтеза для создания жидкого топлива способна стать главным источником топлива мира будущего. Эффективность системы около 10%. Т.е. ИФ способен захватывать одну десятую энергии солнечного света и превращать ее в топливо. Для сравнения, фотосинтез растений преобразует всего лишь 1% солнечной энергии в углеводы. В ближайшем будущем такая система позволит уйти от ископаемого топлива. Это возможно засчёт специальных бронебактерий-фотосинтетиков. За счет катализаторов вода разделяется на кислород и водород, а также подает водород бактериям вместе с углекислым газом. Бактерии, биоинженерные до определенных характеристик, превращают углекислый газ и водород в жидкое топливо.3
Хоть производство, пожалуй, самого популярного материала современного мира – пластика, является не таким уж и затратным, но тем не менее, затраты ресурсов на производство пластика огромны. Искусственный фотосинтез способен справиться и с этой проблемой. В сентябре 2017 года Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли описала новый процесс, который может превращать CO2 в этилен, необходимый для производства полиэтиленового пластика. Это стало первой демонстрацией преобразования диокисда углерода в пластик.
Кроме того, при ИФ специальные азотфиксирующие микроорганизмы обладают возможностью превращать азот в аммиак, применение которого в современном мире просто огромно. От производства пластмасс и волокон до сферы медицины аммиак используется повсеместно.
Кроме белков и аммиака, ИФ позволяет синтезировать и спирты, например метанол. Метанол можно использовать вместо бензина в качестве топлива для работы автомобилей.4 Кроме топлива энергия, произведенная с помощью ИФ, может быть преобразована в электричество, которое используется во всем мире. Такой метод предполагают ученые, в результате затраты на ИФ частично будут окупать сами себя, по крайней мере, с энергетической точки зрения5.
По моему мнению, технология искусственного фотосинтеза влечет за собой революцию в современном мире. Сложно даже представить, как в больших городах будут существовать системы, благодаря которым человек сможет жить, например, в экологически чистом мегаполисе. Данный системы могут перевернуть смысл выражения “каменные джунгли”.
Чистый воздух – необходимость для человека, а в современном мире нам стало его не хватать. Многочисленные заводы, предприятия ежедневно выбрасывают в атмосферы тонны диокисда углерода, загрязняя воздух нашей планеты. Искусственный фотосинтез как раз может с этим справиться. А если предположить некий союз системы искусственного фотосинтеза и заводов, то выгода становится очевидной для всех: заводы получают энергию от системы ИФ, а, в свою очередь, ИФ получает диоксид углерода.
Фантазии человека насчет далекого будущего безграничны. Возможно у каждого будет собственная система ИФ, способная производить растительные пищевые продукты. Таким образом, у каждого будут свои собственные продукты растительного происхождения “прямо с грядки”.
Если же рассуждать о негативном влиянии человечества на природу, то не исключен факт, что мы дойдем до момента, когда получение кислорода станет весьма затруднительным, тогда системы искусственного фотосинтеза станут первой необходимостью. Ведь как еще получать жизненно важный газ без деревьев?
Помощь странам третьего мира – данная проблема актуальна сейчас как никогда. И обычно, в таких странах процветает голод, но благодаря ИФ люди смогут получить необходимое для жизни питание. Единственной преградой для этого пока является большая стоимость систем искусственного фотосинтеза (данная проблема вызвана большой стоимостью катализаторов процессов – оксида титана и т.д.). Но по заверению ученых, в будущем стоимость системы значительно снизится, поэтому приобрести ее не составит труда.
Человечество лишь в недавнее время задумалось о затраченных ресурсах планеты. За последние два века запасы угля как главного топлива мира были огромно истрачены. Если данная тенденция будет продолжаться, то способом спасения от топливной катастрофы станет именно искусственный фотосинтез. Технологии ИФ пока находятся на стадиях разработок, но их ученые видят огромный потенциал для оптимизации процессов. 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.
Дальнейшее развитие ИФ требует огромных денежных затрат, но уже многие фирмы заинтересованы в спонсорстве данной технологии. Кто знает, может ИФ и не станет повседневностью будущего, а может, работа над ним даст толчок водородной энергетике. Ждать осталось недолго, поживем — увидим.
_________________
1- https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/artificial-photosynthesis
2- https://naukatv.ru/articles/631
3- https://earth-chronicles.ru/news/2018-03-01-113269
4- https://www.mindstick.com/Articles/43730/application-future-of-artificial-photosynthesis
5-https://www.mindstick.com/Articles/43730/application-future-of-artificial-photosynthesis