Знание-сила, 2009 № 07 (985)

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?