Возможен ли искусственный фотосинтез. Искусственный фотосинтез, дешевый источник энергии. Энергия из фотосинтеза

Материал из Википедии - свободной энциклопедии

Искусственный фотосинтез - попытки воспроизведения естественного процесса фотосинтеза . При этом под воздействием электромагнитного излучения видимого спектра вода и диоксид углерода преобразуются в молекулярный кислород и глюкозу. Иногда к искусственному фотосинтезу относят разделение воды на водород и кислород под воздействием солнечной энергии .

Исследования направлены на реализацию разновидности фотосинтеза, связанной с разложением воды на водород и кислород . Этот процесс является первой стадией фотосинтеза в растениях (светозависимая фаза). Конверсия диоксида углерода не требует воздействия света. Водород, полученный на первой стадии искусственного фотосинтеза может быть использован в водородных двигателях для генерирования «чистой» энергии.

Светонезависимая реакция («темновая фаза», Цикл Кальвина) является второй стадией фотосинтеза, в ходе которой диоксид углерода конвертируется в глюкозу. Глюкоза является источником энергии, обеспечивающим рост растений. Предполагается, что этот процесс, воспроизведённый в промышленных масштабах, поможет противостоять глобальному потеплению . Светонезависимая стадия фотосинтеза может быть использована для поглощения избыточного количества углекислого газа из атмосферы . Однако такой процесс будет требовать значительных источников энергии, как это происходит при фотосинтезе в растениях.

Примечания

Высокая эффективность натурального является определенным ориентиром в развитии отрасли солнечной энергетики. Однако теперь, этот природный пример высокой производительности может оказаться устаревшим.

Впервые учёным удалось эффективно совместить химический электролиз с деятельностью бактерий. Система производит спирт и другие вещества буквально «из воздуха»

Исследователи из Гарвардского университета создали бионическую систему, которая преобразует и сохраняет солнечную энергию в химическом виде, используя гибридный механизм из неорганических материалов и живых микроорганизмов. Такая схема помогает решить сразу две проблемы: 1) сохранение , которая производится в избытке в светлое время суток и которой не хватает вечером; 2) устранение лишнего CO2 из атмосферы.

Устройство, получившее название Bionic leaf 2.0, создано на основе предыдущей версии листа, разработкой которого занималась та же команда ученых. Энергогенерирующая система состоит из солнечной панели, зажатой между листами кобальтового катализатора и ячейки с бактериями Ralstonia eutropha, занимающими нижнюю половину листа. При погружении в сосуд с водой при комнатной температуре и нормальном давлении искусственный лист имитирует фотосинтез. Ток из солнечных пластин Bionic leaf 2.0 подается на катализаторы, которые расщепляют молекулы воды на кислород и водород. Затем водород попадает в ячейки с ГМ-бактериям, которые отличаются тем, что могут соединять молекулы водорода с полученным из воздуха углеродом и превращают их в жидкое топливо.

Полученный водород уже можно было бы использовать в качестве топлива, но учёные решили усложнить систему, чтобы сделать её более эффективной. На следующем этапе в дело вступают бактерии Ralstonia eutropha, которые питаются водородом и CO2 из атмосферы. Благодаря этим питательным веществам колония бактерий активно увеличивается в размерах. Среди продуктов жизнедеятельности микроорганизмов - различные полезные химикаты. Учёные экспериментировали с генетическими модификациями и вывели бактерий, производящих различные виды спирта (C3 и C4+C5 на диаграммах) и прекурсоры пластика (PHB на диаграммах).

«Для этой работы мы разработали новый катализатор на основе кобальта и фосфора, который не производит реактивных форм кислорода. Это позволило снизить нам напряжение, что привело к резкому росту эффективности», - комментирует один из авторов работы.

Учёные уже десятилетиями пытаются выращивать бактерий на электродах, чтобы заставить их принять участие в химической цепочке реакций, но в этом процессе постоянно возникали разные проблемы, которые мешали создать по-настоящему эффективную систему

Главные из этих проблем - выщелачивание тяжёлых металлов из электродов, а также появление кислорода в активной форме. Оба этих процесса угнетают жизнь счастливых, здоровых бактерий. Важным открытием химиков из Гарварда стало использование системы электролиза с катодом и анодом на основе кобальта. По существу, катод и анод производят синергетический эффект, представляя собой самозаживляющуюся систему. Если один деградирует, второй снабжает его веществами, и наоборот.

«Я думаю, это на самом деле довольно волнующее исследование, - прокомментировал работу коллег Йоханнес Лишнер (Johannes Lischner) из Имперского колледжа Лондона. - Преобразование солнечного света в химическое топливо с высокой эффективностью - что-то вроде чаши Святого Грааля для возобновляемой энергетики».

По мнению независимых специалистов, которые не имеют отношения к данному исследованию, научная работа действительно революционная. Впервые в истории учёным удалось совместить химический электролиз с деятельностью бактерий с высоким КПД преобразования и сохранения энергии. Работы в этом направлении шли с 1960-х годов.

Если совместить эту систему с обычными фотоэлементами, то эффективность восстановления CO2 составит около 10% - это выше, чем в природном фотосинтезе!

Учёные предполагают, что их система эффективного электролиза с преобразованием энергии в жидкое топливо найдёт применение, в первую очередь, в развивающихся странах, где нет развитой электрической инфраструктуры, чтобы распределять и сохранять электричество, сгенерированное солнечными панелями в дневное время.

МОСКВА, 26 ноя — РИА Новости, Ольга Коленцова. В атмосфере концентрация свободного кислорода составляет 20,95%, а углекислого газа — 0,04%. Это соотношение поддерживается жизненными циклами представителей флоры и фауны. Но количество растений на нашей планете стремительно уменьшается, а объемы выбросов углекислого газа растут. Поэтому уже сейчас ученые озаботились разработкой технологий, которые бы могли обеспечить людей и животных пригодным для дыхания воздухом в будущем.

Основную роль в процессе фотосинтеза играет свет. Из солнечного излучения, доходящего до Земли, лишь половина имеет длину волны, с которой может "работать" хлорофилл. Причем максимумы поглощения находятся в синей (около 400 нанометров) и красной (около 700 нанометров) областях спектра.

"Этот зеленый пигмент содержится в листьях и захватывает солнечный свет, а набор ферментов и других протеинов использует энергию, чтобы расщеплять молекулы воды на кислород, водород и электроны. Протоны водорода и электроны, движущиеся по цепочке из белков, принимают участие в создании энергии, необходимой для синтеза органических соединений", — поясняет Павел Федураев, старший научный сотрудник Лаборатории природных антиоксидантов Института живых систем Балтийского федерального университета им. И. Канта.

Из подходящего диапазона солнечного излучения большая часть теряется в процессе поглощения и внутренних реакций. В среднем для фотосинтеза растениями используется лишь 1-2% от всего поступающего на Землю солнечного света.

© Иллюстрация РИА Новости. Алина Полянина

© Иллюстрация РИА Новости. Алина Полянина

Чтобы воссоздать фотосинтез в искусственных условиях, необходимо повторить два ключевых этапа: сбор солнечной энергии и расщепление молекул воды. Кстати, искусственный фотосинтез возможно использовать для производства как кислорода, так и водорода. Во втором случае человечество будет надежно обеспечено экологичным, эффективным и недорогим топливом.

Пока исследования искусственного фотосинтеза находятся на стадии лабораторных разработок. Полупроводники и живые бактерии помещают в фотосинтетическую биогибридную систему (искусственный лист), на которую воздействуют солнечным светом. Полупроводники собирают его энергию, генерируя электроны, необходимые для того, чтобы состоялась реакция в растворе воды и углекислого газа. Бактерия использует электроны для преобразования молекулы углекислого газа, тем самым способствуя образованию водорода (H2), метана (CH4), этанола (C2H5OH). А вода в это же время окисляется на поверхности другого полупроводника, в процессе чего выделяется кислород.

Но расщепить молекулу воды не так просто, это требует около двух с половиной электронвольт энергии. Следовательно, нужен катализатор, который "подтолкнет" химическую реакцию.

Некоторые исследователи, занимающиеся искусственным фотосинтезом, имитируют естественный процесс без привлечения живых организмов. По большому счету эти разработки сводятся к созданию принципиально нового катализатора, так как существующие (основанные на магнии, титане, кобальте, рутении) довольно токсичны и имеют низкий коэффициент полезного действия.

Есть разработки по искусственному фотосинтезу, в которых используются живые организмы (пока только бактерии и отдельно взятые клетки). Подобные исследования основаны на получении информации о фотосинтезе с помощью цианобактерий. Сначала им в геном вставляется последовательность нуклеотидов, содержащая инструкции по синтезу белковых меток. Далее живые организмы извлекаются вместе с метками и проводится исследование полученной фотосистемы (бактерий, которые перерабатывают белки). Ученые утверждают, что данная информация поможет создать искусственные аналоги фотосинтеза.

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% .

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

1. Population Pyramids of the World from 1950 to 2100 . (2013). PopulationPyramid.net ;
2. Корзинов Н. (2007).