Химия человека. Как железо помогает нам дышать, калий – видеть, и другие секреты периодической таблицы

Между подзарядками батареи я могу довольно долго ехать на своей машине, а поэтому машина весьма тяжелая. Килограмм батарей содержит намного меньше полезной энергии, чем килограмм бензина. Так как атомы углерода такие мелкие и легкие и их связывают друг с другом прочные связи, из одного килограмма молекул углерода высвобождается очень много энергии. А поскольку энергия из бензина высвобождается в тот момент, когда углерод вступает в реакцию с кислородом – а он повсюду в воздухе вокруг нас, – нам не нужно занимать место и брать с собой кислород в топливном баке. В моей машине со мной едут и углерод, и кобальт. Если исследователям удастся сделать батареи, в которых литий реагирует с содержащимся в воздухе кислородом вместо кобальта в твердой форме, возможно, в килограмме батарей окажется почти столько же энергии, сколько в килограмме бензина[278]. Тогда грузоподъемность и дальность перевозок электрических самолетов и грузовиков и без кобальта окажутся такой же, как у современных версий с использованием ископаемых.

Если мы преодолеем самые суровые технологические препятствия, у нас будет то, что по качеству почти соответствует тому, что у нас есть сегодня. В этом есть доля разочарования. Разве будущее не подарит нам летающие автомобили и чартерные рейсы на другие планеты? Для этого нам нужны еще более энергоемкие энергоносители, чем батареи.

Подобной альтернативой способен стать водород. Килограмм водорода содержит почти в три раза больше энергии, чем килограмм нефти. Если смешать два газа – водород и кислород, – чтобы поджечь смесь, хватит крошечной искры – в виде тепла высвободится огромное количество энергии, а кислород и водород превратятся в воду. В особо солнечные дни какое-то количество электричества, вырабатываемого на солнечных электростанциях, можно потратить на то, чтобы разорвать молекулы воды, а образовавшийся водород сохранить и использовать позже. Проблема в том, что этот газ занимает много места. Чтобы сохранить килограмм азота в виде газа, понадобится баллон объемом более 400 литров. В современных водородных автомобилях много энергии тратится на то, чтобы поместить газ в емкость меньшего объема, а в космических транспортных средствах применяют жидкий азот, охлажденный до температуры –253 °C. Чтобы сохранить столь низкую температуру, требуется гигантское количество энергии, потому для личных автомобилей этот вариант не подходит.

Водородные автомобили не сжигают водород в двигателе, а напрямую преобразуют химическую энергию в электрическую в топливном элементе. В большинстве современных топливных элементов есть платина[279] – она помогает оторвать молекулы водорода друг от друга и освободить электроны. Платина – один из самых редких металлов, имеющихся в земной коре, и по большей части ее добывают как побочный продукт на медных и никелевых рудниках. Южная Африка – крупнейший мировой производитель платины и обладает ее крупнейшими запасами. В 2017 году лишь четыре страны произвели сколько-нибудь значительное количество платины[280]. Поскольку в производстве доминирует одна страна, в которой, помимо прочего, регулярно случаются забастовки шахтеров и иные политические беспорядки, платина – один из тех элементов, которые власти многих стран оберегают особенным образом[281]. Следовательно, водород не решит всех наших проблем, хоть и абсолютно точно поучаствует в решении стоящих перед нами энергетических вызовов.

Бензин из растений

В процессе роста растения улавливают солнечную энергию, и, чтобы она принесла пользу обществу, ее можно высвободить в наших двигателях и бойлерах. О биоэнергии говорят как о новой возобновляемой энергии, с помощью которой мы вступим в следующую эпоху. Как далеко это решение нас заведет?

Биоэнергия – это вовсе не новость. На протяжении большей части человеческой истории она играла для людей важнейшую роль. Во многих уголках мира использование биоэнергии для производства металла и другой промышленности привело к масштабной вырубке лесов. Это случилось в то время, когда население Земли составляло менее десятой части от сегодняшнего и каждый человек по отдельности потреблял намного меньше энергии, чем мы с вами.

Отходы лесозаготовок и сельского хозяйства как энергоресурс способны привлечь своей дешевизной, но они также являются ресурсом для природных экосистем. Органический материал работает как склад углерода, биологически доступного азота и других питательных веществ, помогает расщеплять вредные вещества в окружающей среде, дает убежище мелким живым существам, обитающим в лесной подстилке, сдерживает наводнения и снабжает нас чистым воздухом, водой и почвой. Если мы заберем из почвы и лесов слишком много органического материала, нам придется тратить больше энергии на внесение минеральных удобрений и заменить те услуги, которые на сегодняшний день экосистемы оказывают нам бесплатно[282].