Изкуствена фотосинтеза

Фотосинтезата е най-важният процес под Слънцето – без нея нямаше да има живот на Земята. Ако би могъл да я овладее, човекът щеше да реши окончателно енергийните си проблеми. Учените усилено работят върху това – пише Хано Харизиус в германското списание Der Spiegel.

Японски екипи вече имат сериозни успехи в разработката на соларни клетки, които работят на принципа на фотосинтезата. Великобритания също има собствена фото инициатива, а енергийното министерство на САЩ е предвидило финансиране от 122 млн. долара за Център за изкуствена фотосинтеза, разположен в Калифорния. Ръководител на калифорнийския проект е професорът по химия Натан Люис, който обяснява: „Изкуствените листа няма да изглеждат като истинските, но функционирането им е вдъхновено от природата и цели да се овладее най-големият източник на енергия в света, Слънцето“.

В Германия върху проблема работят много научни екипи едновременно – например Алфред Холцварт от Института Макс Планк за биоаноргична химия. Ученият избягва да говори за „изкуствена фотосинтеза“, вместо това предпочита да се дискутират различните възможности за превръщането на слънчевата енергия в енергоносител. Соларните панели, които сега се инсталират по покривите, според него са твърде скъпи, за да решат проблемите на човечеството. Друг проблем на технологията им е, че електричеството не може да се съхранява в големи резервоари като бензина или в складове като въглищата. Трябва да има по-добър начин Слънцето да се превърне в използваема от хората енергия.

Процесът на фотосинтезата

Енергията, която достига от Слънцето до Земята само за час, е достатъчна, за да задоволи енергийните потребности на човечеството за почти година. Растенията оползотворяват значителна част от тази енергия, като прирастът на растителното царство само на сушата достига 160 млрд. тона годишно. Организмите, разполагащи с хлорофил – растения, водорасли, бактерии – усвояват 1350 теравата от слънчевата енергия годишно, докато на човечеството в момента му стигат 16 теравата.

Организмите, които разполагат с „апарати“ за фотосинтеза, успяват да поемат толкова енергия от Слънцето, че осъществяват разграждане на молекулата на водата на съставните й части – водород и кислород. Водородът се използва за създаването на богати на енергия химични съединения, например захари и мазнини. За целта организмите поемат от въздуха въглеродния диоксид и превръщат въглерода в него в нови сложни молекули.

Растенията осъществяват този процес на две крачки: разграждането на водата се случва на слънчева светлина през деня, а клетките произвеждат захари предимно през нощта – това деление е резултат от стотици милиони години подобрения.

Първите притежатели на тази технология са едноклетъчните, които са живеели около горещите извори дълбоко под земята. Преди близо 2 млрд. години те започват да използват слънчевата светлина, за да осигуряват хранителните си вещества. На бреговете на праокеана тези организми са се превърнали в искрящи в зелено и виолетово тънки парцали, които еволюцията стремително е развила. Най-важната им съставка е пигментът хлорофил, който и днес дава зеления цвят на всички растения. Хлорофилът абсорбира светлината като слънчев колектор.

Първата крачка

Първите фотосинтезиращи организми всъщност все още не са можели да разграждат водните молекули. Но някои бактерии си изградили истински „машинен парк“ от стотици различни молекули, с чиято помощ разхлабвали много стабилната връзка на водната молекула; така се осъществявало квази разграждане на водата и се освобождавала енергия. Първата крачка била направена.

Когато разглеждаме под микроскоп зелено листо, лесно можем да си представим как е протекла еволюцията: в зелените клетки енергично се движат изумрудени кръгчета, наречени хлоропласти. Теорията е доказала наличието на прастара симбиоза: първите фотосинтезиращи бактерии са били погълнати от други едноклетъчни, но без да ги смилат. Пленените микроби продължавали да фотосинтезират и да осигуряват на „домакина“ хранителни вещества. Това се е оказала добра сделка и за двете страни.

Днес учените се опитват да създадат или отгледат растения, които по-ефективно поглъщат въглеродния диоксид и така създават повече биомаса. Те отглеждат водорасли и бактерии, които превръщат слънчевата светлина в биогорива. Конструират изкуствени листа, които произвеждат водород. Мотивацията им е голяма, тъй като и залогът е голям.

Даниел Носера (Daniel Nocera) от Масачузетския технологичен институт от десет години се мъчи да повтори фокуса с фотосинтезата в лабораторни условия. Есента на миналата година той заяви, че е успял, като представи на световната общност първия изкуствен лист. Голям е колкото карта за игра и е сив на цвят. Ако бъде потопен в чаша вода и към него се насочи лампа, виждат се мехурчета, излизащи от матовата повърхност: това е водород, който може да се превърне в електричество или гориво. Килограм водород съдържа енергия колкото 3 кг. бензин.

По принцип водната молекула може да се разгради и с помощта на машина за електролиза – но уредът е много скъп, а процесът гълта толкова много електричество, че не си заслужава усилията; да не говорим, че нужните електроди са от платина или други благородни метали. Носера дълго е търсил по-ефективен път и през 2008 г. е възнаграден за усилията си. След серия неуспешни опити той е сложил кобалтов и фосфатен прах в една колба с вода, пъхнал е вътре два обикновени електрода, включил е тока и скоро е видял да се издигат заветните мехурчета. С този микс процесът на електролиза става много по-евтин и ефективен.

От първия успешен опит до първия функциониращ прототип минават още четири години. Днес катализаторът му не се смесва с вода, а се поставя в задната част на обикновен соларен панел, тъй като и за този метод е нужно малко електричество. Методът на Носера за разграждане на водата има КПД едва 2.5% и е по-лош от естествения, както остава и много зад модерните соларни клетки. „Може би това не е най-ефикасния начин за разграждане на водата, но поне е най-евтиният и най-надеждният, който познаваме до този момент“ – твърди химикът. Системата може да функционира месеци наред без да загуби производителност. Интересен страничен ефект е, че електролизата може да се задейства и в съд с мръсна вода, като дори я пречиства.

Видения за бъдещето

Слънце и мръсна вода, при това евтино? Това откритие сякаш е направено за развиващите се страни. С помощта на индийския милиардер Ратан Тата още миналата година Носера е искал да монтира първите прототипи по индийските покриви. Енергийните нужди на едно семейство ще се задоволяват с четири литра вода и слънчева светлина. Но досега нещата не са напреднали отвъд големия колкото карта за игра прототип. Откривателят мълчи за цената, мълчи и за сроковете, в които неговият изкуствен лист ще излезе на пазара.

Катализаторът за разграждане на водата на Носера е само един от опитите да се копира най-важната функция на зеления лист. Има още много изследователи, занимаващи се с този проблем, така че има и много различни подходи за решаването му. Ако има обща позиция между тях, тя е, че изкуствените листа няма да си сменят цвета през есента. Много по-вероятно е те да изглеждат като обикновени соларни панели – или пък като фолио с въздушни мехурчета, което се използва за опаковане на скъпи вещи.

Покрай тези видения за бъдещето работи още едно, по-земно научно направление: биоинженерите искат да създадат растения, които превръщат слънцето в биомаса по-ефективно. Координатор на този проект е Международният изследователски институт по ориза IRRI на Филипините. Целта му е да се увеличи добивът на ориз, тъй като най-важната храна на планетата се оказва доста разточителна – както и повечето варива, оризът губи една трета от уловената слънчева енергия, докато зрее. В очите на генните инженери това е грешка на природата.

Има видове, които не са толкова „неикономични“ – растенията от така наречената група С4, към тях спада царевицата, соргото, захарната тръстика. Преди около 25 млн. години обмяната на веществата им претърпява модернизация, която им позволява да разделят двойната стъпка на реакциите не само като време, но и като място. Те имат специализирани клетки, които абсорбират въглеродния диоксид нощем, когато е по-студено и растенията могат да отворят порите си, без да губят много вода заради изпарение. Така те растат по-бързо и се нуждаят от по-малко торове и вода. Наричат се С4, между впрочем, защото първите междинни продукти от тяхната фотосинтеза по пътя към захарите са молекули от 4 атома въглерод. Всички останали растения попадат в категорията C3.

В около 50 случая еволюцията е развила този турбо – двигател. Оризът, поне на теория, също би могъл да се превърне в подобно растение. В генома на ориза се съдържат всички необходими наследствени предпоставки, въпросът е те да се активират. Тогава реколтата от ориз в света би могла да нарасне два пъти, според някои изследователи.

Професор Холцварт обобщава: фотосинтезата е перфектният образец за изкуствена фотохимична система. Еволюцията е направила съвършена първата част на процеса (разграждането на водата). Но във втората част се губи много енергия, затова опитите са насочени към използване на междинните продукти, а не на крайните захари или мазнини.

Икономическият потенциал на фотосинтезата

На теория звучи просто, но на практика ще са нужни поне 20 години. Въпреки това реномираното списание Nature счита, че този проект има потенциала да промени света. Дано, защото според световната организация по изхранването FAO нарасналото човечество скоро ще се нуждае от двойно по-високи реколти от земеделските култури.

Междувременно в биорафинерии в САЩ водорасли и бактерии се поставят в резервоари, за да усвояват въглеродния диоксид от въздуха и да го превръщат в субстанция, от която после се произвежда биодизел или етанол. Пентагонът инвестира милиони долари в производството на такива горива, които да задвижват самолети, танкове и кораби; вече са правени първите тестови полети с биокеросин. Целта на военните, разбира се, не е опазването на околната среда, а енергийната независимост.

Икономически потенциал има дори и прохлорококус – най-малкото известно фотосинтезиращо създание, което живее в океана и е толкова многочислено, че само в един литър морска вода се съдържат 100 млн. клетки; всяко четвърто вдишване дължим на кислорода, освобождаван от неговата фотосинтеза. Химиците искат така да го препрограмират, че вместо кислород, да произвежда биогорива. За добро или лошо, досега това не се е удало на никого.

Сали Чисхолм, която откри тази бактерия преди само 25 години, е на мнение, че дори генното инженерство да не успее в крайна сметка да измени вида на „про“, науката може да научи много от нея. Например каква е минималната „апаратура“ за един фотосинтезиращ организъм – и един ден това да се използва за направата на изкуствен микроб, може би. Той ще може да се храни само с помощта на слънчева светлина, вода и CO2. И може би ще замести за човечеството едни други продукти на растителната фотосинтеза – природният газ, петролът и въглищата – които милиони години са стояли складирани в Земята.

Advertisements

About Dimitar Sabev

I am economist and journalist, interested in “ecohomics”: the interaction between economy, nature, and culture. I have been working as economic editor, chief editor, columnist, and investigative journalist at different Bulgarian media (“Tema” weekly magazine, DarikFinance.bg, webcafe.bg, money.bg, evromegdan.bg etc.), and have publications at many more. I also develop a kind of "terrain economics", doing research and preparing reports for different projects concerning the social and environmental impacts of mining, monetary assessment of ecosystem services, fiscal justice issues of foreign investments, development of quantitative indices for regional development, sustainable forest management, feasibility of trans-border biosphere reserves, etc.
This entry was posted in Интернационални and tagged , , . Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s