Путь к водородной энергетике - искусственный фотосинтез

Многие эксперты не представляют себе энергетику будущего без водорода в качестве экологичного энергоносителя. Но в природе водород в чистом виде практически не встречается. К относительно доступным методам его получения относятся паровая конверсия природного газа и метана, газификация угля и электролиз воды, однако все это - процессы энергоемкие, пишет Deutsche Welle.
А значит, энергобаланс, к примеру, топливного элемента, если учитывать энергозатраты на получение водорода, никакого прорыва в светлое будущее не сулит - по крайней мере, до тех пор, пока производство водорода не будет переведено на возобновляемые источники энергии.
Один из путей предлагают ученые Института прикладной физики твердого тела Общества имени Фраунгофера во Фрайбурге. Они считают перспективным последовать примеру живой природы - ведь растениям для производства водорода вполне достаточно воды, солнечного света и биокатализаторов.
Профессор Кристоф Небель (Christoph Nebel) поясняет: "Нужно представлять себе дело так, что фотосинтез происходит повсюду, он буквально окружает нас. Любое дерево, любой куст производят водород в процессе фотосинтеза. И сегодня ученые в разных странах мира прилагают немало усилий к тому, чтобы воспроизвести и реализовать всю эту биохимию искусственно".
Сам профессор разрабатывает эту тематику вот уже третий год. Он уверен, что искусственный фотосинтез ляжет в основу экологичной энергетики будущего: "Сегодня мы лучше разбираемся в том, как функционируют белки, поэтому, я думаю, сейчас самое время более активно взяться за разработку промышленной технологии на базе фотосинтеза. Так же, как лет 60 назад началась разработка фотогальванических устройств на базе фотоэффекта".
Но если элементы солнечных батарей представляют собой, по сути дела, просто тонкие полупроводниковые пленки или пластины, в которых происходит прямое преобразование солнечной энергии в электричество, то устройство, способное осуществить искусственный фотосинтез, гораздо сложнее. Ключевую роль здесь играют молекулы светочувствительных белков, накапливающие под действием солнечного излучения электрический заряд.
А этот заряд, в свою очередь, может разложить молекулу воды на составные элементы - водород и кислород. "То есть мы берем молекулы белков, размещаем их на некоей поверхности и подвергаем солнечному облучению, - говорит профессор Небель. - Если все это происходит в водной среде, то начинает выделяться водород".
Главным действующим лицом в этой схеме является одна из разновидностей цитохрома-С (небольшой протеин, присутствующий в митохондриях всех живых организмов). Митохондрии - это органеллы клетки, обеспечивающие ее энергией. Чтобы создать белкам оптимальные условия для трансформации света в электрический заряд, профессор Небель соорудил для них что-то вроде ложа для йогов - или, если хотите, кровати Рахметова из романа Чернышевского "Что делать", - но только в миниатюрном масштабе.
Устройство представляет собой небольшую пластину, утыканную несметным количеством крохотных алмазных штырьков с шагом в несколько нанометров. В образованных штырьками ячейках и расположены молекулы белков. Во избежание их деградации вся конструкция погружена в физиологический раствор, то есть раствор поваренной соли в воде. Под воздействием света молекулы белков передают один из своих электронов алмазным штырькам, с которыми они химически связаны.
Поскольку алмаз - это чистый углерод, он идеально подходят в качестве материала для такой матрицы, - говорит профессор Небель: "Деградации в принципе не происходит, поскольку углерод в жидкости не окисляется. Если бы вы изготовили поверхность из металлов или кремния, идеального полупроводника, то у вас возникли бы серьезные проблемы при переходе в жидкость. Кремний окисляется, образует кварцевый песок, из него прочную и долговечную поверхность не получишь. Поэтому для наших целей оптимальный материал - углерод. Это не обязательно должен быть алмаз, но алмаз удобен в обращении и обходится не так уж дорого в производстве".
На сегодняшний день фрайбургские ученые во главе с профессором Небелем уже располагают алмазно-белковыми наноструктурами размером с ладонь. Коэффициент полезного действия таких жидкостных солнечных элементов с функцией производства водорода может достигать 20, а то и 30 процентов - по крайней мере, в теории.
"В наших структурах этот показатель составляет менее одного процента, - признается профессор Небель. - Но это сопоставимо с КПД деревьев. Если посмотреть на природный фотосинтез, то его эффективность составляет - в зависимости от того, о каких растениях или водорослях идет речь, - от 0,5 до 1,5 процентов".
Таким образом, по части эффективности искусственные структуры профессора Небеля уже сегодня могут конкурировать с живой природой. Но что касается долговечности, тут есть еще над чем поработать. Дело в том, что интенсивное солнечное облучение разрушает светочувствительные белки в алмазных ячейках.
Понятно, что это исключает их практическое использование. С другой стороны, на то, чтобы солнечные батареи получили массовое распространение, ушел не один десяток лет. Усилия, прилагаемые учеными по всему миру, позволяют надеяться, что в случае с искусственным фотосинтезом прорыв не заставит себя ждать столь же долго.