Американские химики создают искусственные растения. Новые полупроводниковые пластины должны напрямую преобразовывать солнечный свет в топливо.

Лист из лаборатории отдает серебристым блеском и едва достигает размера ногтя. Пейдонг Янг осторожно опускает пластинку из кремния в воду. Затем химик включает лампу, симулирующую солнечный свет.

На поверхности пластинки тотчас образуются крошечные пузырьки. Электроны бегают через полупроводник. Янг довольно улыбается: его искусственный лист пришел к жизни.

"Мы стараемся учиться у природы и превосходить ее", говорит исследователь из Объединенного Центра Искусственного Фотосинтеза (JCAP) в Беркли, Калифорния. Янг и его коллеги намереваются превращать солнечный свет, воду и диоксид углерода напрямую в химическую энергию. Этот трюк природы называется фотосинтезом, которым обладают все растения и водоросли. Эволюции потребовались сотни миллионов лет, чтобы породить эту цепь химических реакций. Эксперты из JCAP собираются в ближайшие годы перенять "чудо природы" и даже усовершенствовать его.

Фотохимическая реакция из лаборатории должна, в конце концов, стать в десять раз эффективнее природного фотосинтеза. Министерство энергетики США выделило 122 миллиона долларов для работы калифорнийскому объединению, в котором принимают участие около 200 ученых. Президент США, Барак Обама заявил, что проект является основополагающим для уменьшения зависимости США от нефти.

То, что хотят создать Янг и его коллеги не будет шелестеть на ветру и иметь зеленую окраску. Ученые представляют изобретение в виде тонкой прочной энергопластины, которая как по волшебству будет превращать воду в горючее. С точки зрения исследователей у искусственного фотосинтеза есть все шансы заменить горючие ископаемые, такие как уголь, нефть и газ.

"Идеальное горючее идет к нам прямо от Солнца", говорит Янг. Потенциал новой технологии действительно огромен. Наша звезда каждый час излучает на Землю энергии больше, чем человечество расходует в год. Обычные солнечные батареи могут захватывать часть этой энергии и конвертировать ее в электричество. Сохранение этого электричества и транспортировка его туда, где оно необходимо, сопровождается в свою очередь значительными потерями и является одной из основных технических проблем.

Было бы практичнее напрямую превращать солнечный свет в горючее, которое позже может быть использовано в обычных двигателях внутреннего сгорания - это цель искусственного фотосинтеза.

Химик Дэниел Носера из Массачусетского технологического института (MIT) подсчитал, что одна энергопластина размером 5x6 метров могла бы, меньше чем за 4 часа, покрыть ежедневную потребность в электричестве одного одноквартирного дома.

В прошлом году Носера представил первый прототип искусственного листка. Изобретение исследователя из MIT имеет размер игральной карты и преобразует воду с помощью солнца в богатый энергией водород, который может быть использован как топливо. "Моя солнечная заправочная станция является "Священным Граалем" ученых, о котором исследователи мечтали десятилетиями", восторгался Носера на презентации.

В данный момент исследователь из MIT пытается коммерциализировать технологию. Основанная им биотехнологическая фирма Sun Catalytix развивает водородные заправочные станции дальше. Предприятие ожидает, что сможет в будущем поставлять 1 килограмм водорода примерно за 3 американских доллара. Такое количество газа содержит приблизительно 3,75 литра бензина.

У калифорнийского исследователя из JCAP еще более амбициозная цель. Его искусственный лист должен производить водород не в газообразную, а в жидкую форму, благодаря чему, предварительно пройдя обработку на очистительном заводе, им можно будет заправлять сегодняшние автомобили.

Природный фотосинтез служит химикам в качестве примера. Так же как и в каждом растении, в лабораторных листках вода сначала будет расщепляться на кислород и атомы водорода (протоны). На следующем шагу два протона соединяются в водород, который на заключительном этапе должен вступать в реакцию с углекислым газом.

В качестве конечного продукта фотосинтеза, в растениях образуется, прежде всего, тростниковый сахар и крахмал. Искусственные же листы должны производить метанол или даже бензин. То, что это в принципе возможно, уже давно доказано, однако сложность состоит в деталях.

Для того, чтобы реакция сработала, должны быть созданы химические условия, похожие на те, что в хлоропластах у растений. То, что выполняют энзимы в растениях, должны проделывать и химические катализаторы в лабораторных листах - вещества, без помощи которых мини заправочные станции не могут функционировать.

Платина и иридий хорошо подходят в качестве катализаторов, однако эти элементы встречаются редко и являются дорогими. "Мы ищем вещества, которые есть в достаточных количествах, дешевы и являются химически активными", поясняет Янг. "Только так солнечное горючее может конкурировать с ископаемым топливом"

Тем не менее, химики уже нашли кое-что пригодное в этих целях: вода может расщепляться и с помощью дешевого кобальта и фосфата, как обнаружил исследователь из MIT - Носера. Сплав из никеля, молибдена и цинка в состоянии снова усмирить освобождающиеся при этом протоны.

Одновременно выслеживают химики материалы, которые могут по возможности хорошо улавливать свет. Растительный пигмент хлорофилл с треском бы провалил такой тест, так как зеленые листья поглощают лишь маленькую часть солнечной энергии. Для оптимальной эффективности они собственно должны быть абсолютно черными.

При рассмотрении под электронным микроскопом, искусственные листки напоминают миниатюрные щеточки для ногтей. Из ультратонкой мембраны выступают крошечные волокна кремния, которые покрыты катализаторами и захватывают солнечный свет. Через ультратонкие каналы с одной стороны должна подаваться вода, а с другой выводиться водород и метанол.

Уже в этом году JCAP-исследователь Янг хочет презентовать прототип в iPhone-формате. Он надеется, что сможет представить коммерческую пилотную версию устройства до конца этого десятилетия.

В настоящее время человечество расходует 17,75 миллиардов джоулей энергии в секунду. До конца 2050 года потребление энергии должно, как минимум, увеличиться вдвое. "Чтобы постоянно удовлетворять эту потребность, требуется надежная технология, которую можно использовать в промышленных масштабах", говорит Янг.

"Более прямого и чистого способа получения топлива из солнечной энергии, чем искусственный фотосинтез, нет", говорит химик. По сравнению с добычей топлива из растений или водорослей, у лабораторных листьев есть огромное преимущество: "Мы не должны бояться вредителей".

Оригинал: Филлип Бетге
Перевод: Тимур Муртуков

Источник: www.spiegel.de