Знание-сила, 2009 № 07 (985)

Вокруг биотоплива

Рафаил Нудельман

Становится все более очевидным, что зависимость мира от нефти опасна вдвойне — не только климатически, но и политически. Чтобы избежать этой зависимости, нужны иные энергетические источники, и в их числе давно уже называют фотосинтез. Идея тут прежде всего состоит в том, чтобы искусственно повысить кпд растительного фотосинтеза и тем самым — энергоотдачу нынешнего биотоплива.

Производство всякого биотоплива, например этанола, требует огромной массы растительного сырья. Только очень большие по территории страны — вроде Бразилии или США — могут позволить себе отдать столько сельскохозяйственных земель под производство биотоплива в ущерб производству пищи. Уже сегодня это сказывается — быстро растут цены на рис и другие продукты сельского хозяйства. В перспективе же полный переход с нефти на биотопливо может означать всемирный голод. Этого можно было бы избежать, если бы переработка растений в биотопливо давала больше энергии на единицу растительной массы. Ныне существующие растения запасают в виде энергии всего 1 % от того, что получают от Солнца. Это означает, что, доведя этот кпд растительного фотосинтеза хотя бы до 10 %, можно было бы в десять раз уменьшить площадь под необходимое человечеству биотопливо.

Повышение эффективности фотосинтеза могло бы решить топливную проблему и другим путем — «водородным». Дело в том, что процесс фотосинзета, как многие, наверно, помнят из школы, включает в себя этап расщепления внутриклеточной воды на водород и кислород. Это разложение происходит как раз за счет солнечной энергии. Затем водород соединяется с углекислым газом (растения впитывают его из атмосферы, «дышат» им), в результате чего образуются молекулы углеводородов. Они и есть основной строительный материал растительных клеток и именно в них запасается та энергия, которая при переработке растений переходит в биотопливо. Кислород же, оставшийся от расщепления воды, выделяется в воздух, и поэтому, кстати говоря, массовое появление свободного кислорода в Земной атмосфере — и вызванная этим дальнейшая эволюция живых существ — стали возможными лишь после того, как на земле появились растения. Но и сами растения смогли появиться лишь после того, как процесс фотосинтеза был впервые «открыт» цианобактериями, от которых растения заимствовали этот механизм.

Вернемся, однако, к водороду. Поскольку на его выделение из воды была израсходована определенная энергия, то обратная реакция его соединения с кислородом («сжигание водорода») должна идти с выделением энергии (и, понятно, с образованием воды). Иными словами, чистый водород (при наличии кислорода) — потенциальный источник энергии, проще говоря — энергоноситель. К тому же весьма распространенный, фактически неисчерпаемый. И к тому же очень емкий — 10 килограммов водорода содержат столько же энергии, что 40 килограммов хорошего бензина. Не случайно уже нынешние автомашины на водородных двигателях такой емкости позволяют пройти 300 километров. В действительности, конечно, водород «сжигают» не напрямую, а более эффективным способом — в так называемых топливных ячейках. Но в любом случае водород может с успехом заменить нефть и природный газ в качестве энергоносителей. Вопрос лишь в том, как этот водород получить. На самом деле вопросов, конечно, больше: здесь и необходимость сжижения водорода, и задача хранения сжиженного газа, и проблема его доставки в нужные места, и угроза чрезмерного «увлажнения» окружающей среды и т. д., и т. п., но для простоты отвлечемся от всего этого. Откуда взять ту энергию, которая нужна для первичного расщепления воды на водород и кислород?

Если эта энергия будет получена за счет сжигания нефти или газа, то загрязнение атмосферы будет больше, чем при их обычном использовании в качестве горючего — по той неприятной причине, что на производство единицы массы водорода требуется, как оказалось, чуть больше энергии, чем в этой единице — потенциально — содержится. Это означает, что в смысле загрязнения атмосферы нам «чище» просто пользоваться нефтью и газом, чем сжигать их для получения водорода.

Конечно, водород можно получать и более «экологически чистыми» путями, но и в этом плане уже подсчитано, что для производства 150 миллионов тонн водорода (это позволит перевести на водород весь автопарк США) с помощью атомной энергии потребуется 240 тысяч тонн урана в год (в 5 раз больше нынешней годичной глобальной добычи) или — в случае солнечной энергии — 113 миллионов фотоэлементных зеркал (каждое мощностью в 40 киловатт), что полностью покроют территорию размером в три штата Невада, или — в случае ветра — 1 миллион ветряных турбин мощностью в 2 мегаватта, которые покроют площадь размером со штат Калифорния, или, наконец, 1,5 миллиарда тонн биомассы, для производства которых нужно будет занять 11 % всей пахотной земли в США. При этом в первом случае затраты на создание соответствующей инфраструктуры составят почти триллион долларов, во втором — 22 триллиона, в третьем — 3 триллиона, в четвертом — около полу-триллиона. Все эти варианты предполагают, что водород будет производиться путем электролиза воды, то есть с помощью получаемого тем или иным путем электричества. И тут возникает вопрос: зачем вообще нужен этот промежуточный этап производства электричества, если растения (а также цианобактерии) производят в себе водород напрямую, с помощью фотосинтеза? Нельзя ли и нам использовать фотосинтез для прямого получения водорода?

Подобные попытки уже предпринимаются, и сегодня в них наметились два основных подхода. Одни ученые ищут пути такой генетической модификации растений и цианобактерий, которая увеличила бы кпд их фотосинтеза. Но это, скорее, относится к поиску более эффективного биотоплива. Другие исследуют куда более фантастическую, но и более перспективную, возможность создания «искусственного листа». Это должна быть система наноустройств, которая будет подобна живому листу, то есть будет способна осуществлять не только процесс фотосинтеза, но и процесс самовоспроизведения. Дело в том, что в живых организмах (в растительных и бактериальных клетках) фотосинтез сопровождается непрерывным повреждением тех белковых систем, в которых он происходит, поэтому не случайно в хлоропластах растительных клеток непрерывно продуцируются все новые и новые заменители разрушенных белков. По-видимому, наноструктуры в «искусственном листе» тоже будут разрушаться и это потребует их непрерывного самовоспроизведения.

Задача самовоспроизведения наноструктур и сама по себе является достаточно трудной и пока далекой от решения. Но и главная задача — воспроизведение фотосинтеза в такой системе — тоже весьма трудна. В растительных клетках фотосинтез осуществляют две белковые системы: фотосистема, которая производит разложение атомов водорода на составляющие их протоны и электроны, несущие в себе энергию исходных фотонов, и фотосистема, которая получает эти частицы и использует их для строительства углеводородов (а также белков и жиров). Биохимики пока еще не выяснили до конца детали тонкой структуры этих двух систем и их работы. Они их только изучают, хотя сегодня интенсивнее, чем когда-либо. Но на недавней международной конференции по молекулярной биоэнергетике, прошедшей в испанском городе Коста-Браво, выявился весьма оптимистический консенсус: большинство участников пришли к выводу, что фундаментального продвижения в этих исследованиях можно ожидать уже в ближайшие 10–20 лет, и это наверняка проложит путь к созданию долгожданных источников возобновляемой энергии.

За последние три года мир открыл новый, многообещающий источник биотоплива. У нас на глазах происходит очередная биотехнологическая «зеленая» революция, и на этот раз она называется «ятрофа». Компания «Боинг» уже совершила успешный перелет в Новую Зеландию на биодизельном топливе, полученном из этой самой ятрофы. Индия выделила 14 миллионов гектаров и 360 миллионов долларов на срочное высевание ятрофы и поставила целью с ее помощью довести производство биодизельного топлива в 2017 году до 20 % всей потребности индийской автомобильной промышленности (в основном тракторов и грузовых машин, потому что именно они являются главными потребителями дизельного топлива). А в африканском государстве Свазиленде строится первая в мире электростанция на дизельном топливе из ятрофы. Одна британская фирма заключила соглашение на сумму 34 миллиона фунтов о совместных работах по ятрофе с биотопливной компанией D1, а в США (во Флориде) создана специальная фирма, разрабатывающая новые сорта ятрофы, которые можно было бы разводить в бедных и развивающихся странах Африки и Центральной Америки. К Индии и Свазиленду присоединились своими программами срочного и массового развития ятрофы также Китай, Бразилия и Кения. Бирма намерена полностью перевести свои энергетические потребности на ятрофу.

Что же это за растение — ятрофа? Родина его — Карибские острова, откуда португальцы в XVI веке перенесли его в Азию и особенно в Индию. В семействе ятроф имеется много разновидностей, и та, о которой говорят сегодня энтузиасты, именуется ятрофа куркас. Это довольно большое (до 2–3 метров) дерево с красивыми рассеченными зелеными листьями, увенчанными коралловыми цветами, которые растут на кончиках ветвей, где образуются также гроздья желтовато-коричневых орехов. Живет до 50 лет. Орехи ядовиты для человека — четырех достаточно, чтобы отправиться на тот свет. Кора дерева тоже ядовита — длительное соприкосновение с ее соком вызывает неприятный и настойчивый зуд и раздражение. Если добавить к этому, что ятрофа растет на самых бросовых землях, включая засушливые, то понятно, что перед нами настоящий сорняк, приобретший за время эволюции ряд защитных свойств, неприятных для покушающихся на него. Вроде бы совершенно не интересный для человека. Однако у этого сорняка внезапно обнаружилось бесценное свойство: оказалось, что его плоды — орехи — содержат сок, который путем простой обработки превращается в чистейшее дизельное топливо (напомним, что «Боинг» уже проверил это топливо в дальнем перелете, а в Индии на смеси сока ятрофы и обычно дизельного топлива уже ходит регулярный поезд). При этом параметры ятрофы таковы, как будто природа специально ее предназначила для наших сегодняшних топливных нужд.

Выращивание ятрофы не содержит никаких сложностей. Она может расти на пустырях, на гравии, на песчаных, каменистых и скалистых почвах, а также на почвах засоленных. Так что продовольственным культурам она не конкурент. Поначалу она не нуждается даже в удобрениях — воткни в расщелину между скал, она и растет. Также у нее очень малая потребность в воде, так что она может расти и в засушливых условиях. Единственное, о чем нужно постараться, чтобы у нее было как можно больше ветвей, тогда будет и больше орехов. Их она начинает приносить уже через 2–3 года жизни, обычно зимой (как-никак растение тропическое и субтропическое), но в теплом климате может дать два, а то и больше урожаев в год.

Орехов она приносит (на третий год) около 5 тонн на гектар в каждом урожае. Содержание масла в орехах в зависимости от сорта варьируется от 30 до 94 %, но в среднем каждый гектар посадок дает 1892 литра масла в каждом урожае — это в 4 раза больше, чем соя, и в 10 раз больше, чем кукуруза, которые сейчас усиленно выдвигаются на роль биотоплив (нужно еще учесть, что ятрофа, как уже сказано, не мешает посадкам продовольственных культур, тогда как посевы кукурузы и сои в качестве биотоплива отнимают хорошие посевные площади у продовольственных культур, что уже вызвало резкий рост продуктовых цен во всем мире). Любопытно также, что одна флоридская компания уже вывела новые сорта ятрофы, которые дают до 15 тысяч (!) литров масла на каждый гектар.

Выход масла, сразу пригодного в качестве дизельного топлива, то есть удовлетворяющего стандартам ЕС, составляет 40 % от веса семян внутри ореха. Выжатые семена (жмых) могут быть использованы как топливо для тепловых электростанций. Например, на плантациях ятрофы одной из британских фирм каждый гектар посадок дает 2,7 тонны масла и 4 тонны жмыха (биомассы), так что с 8000 гектаров посадок получается такое количество биомассы, на котором может работать энергостанция мощностью 1,5 мегаватт, обеспечивающая все потребности 2500 домов. Добавим к этому, что топливо, получаемое из семян ятрофы, практически не выделяет при сгорании никаких парниковых газов, а ее посадки, напротив, сами поглощают из атмосферы 9 тонн углекислого газа на каждый гектар. И, кроме того, посадки ятрофы эффективно помогают бороться с эрозией почвы.

Воистину кажется, что перед нами чудо-растение. Желающие могут хоть сейчас перейти с ее помощью на энергетическое самообеспечение. Флоридский университет уже сегодня предлагает выведенные его учеными сорта ятрофы, которые дают с одной сотки порядка 100 литров горючего в год. Средний водитель делает 10 000 километров в год, так что ему достаточно завести себе садик ятрофы величиной в 10 соток, и он полностью избавится от необходимости ездить на заправку. А возни с этим садиком почти никакой, одно удовольствие. Право, господа, давайте купим себе каждый по 10 соток.