Майже всі живі істоти на цій планеті працюють на сонячній енергії. Механізм простий: рослини перетворюють сонячне світло на хімічну енергію. Тварини їдять рослини. Люди їдять тварин або рослин. Ми спалюємо деревину, вугілля чи перероблені сільськогосподарські культури для отримання тепла. Нафта – це просто давня біомаса, яка закам’яніла за мільйони років. Навіть біопаливо першого покоління виробляється з кукурудзи, цукрової тростини або олії. Це замкнутий цикл.
Цикл порушено.
Нафта брудна. Вона створює геополітичну нестабільність. Вона забруднює довкілля. Біопаливо першого покоління не є вуглецево-нейтральним. Для його переробки потрібно спалювати інші види палива. Більш серйозна проблема використання земель. Коли ви перетворюєте продовольчі культури на паливо, пропозиція падає. Ціни злітають. Голод посилюється. За цим йдуть політичні напруження.
Чи є найкращий спосіб?
Дослідники розглядають питання з іншого боку. Вони хочуть отримувати енергію від культур, не вбиваючи їх. Вони хочуть використовувати землі, непридатні для продовольства. Вони хочуть, щоб мікроби виконували основну роботу. Це основна концепція рослинно-мікробних паливних елементів.
Рослини перебувають у центрі уваги. Мікробам дістається вина. Але обидва необхідні. Ціанобактерії складають основу харчового ланцюга. Мікроби кишківника допомагають нам перетравлювати їжу. Ґрунтові бактерії переробляють відходи в поживні речовини для рослин. Упродовж десятиліть вчені вивчали цей мікробний метаболізм. Вони хотіли видобувати з нього енергію.
До 1970-х років у них з’явився прототип.
Ці ранні пристрої називалися “мікробними паливними елементами”. Вони виробляють електрику з допомогою хімічних реакцій, керованих мікробами. Вихідна потужність низька. Але вона поновлювана. Мікробні елементи палива можуть моніторити забруднювачі. Вони можуть допомагати очищати воду. Вони можуть опрісняти. Вони можуть мати віддалені датчики.
Є обмеження.
Мікробним паливним елементам потрібна їжа. Зазвичай такою їжею є органічні відходи у стічних водах. Дослідники зрозуміли одну просту річ. Рослини виділяють цукру у ґрунт. З погляду рослини це відходи. Для ґрунтових мікробів це паливо. Це нескінченний буфет, що працює на сонячній енергії. Навіщо збирати відходи, якщо можна просто підключитись до живого кореня?
Ідея прижилася.
До 2008 року почали з’являтися наукові статті. Було оголошено перші рослинні МТЕ. Потенціал був очевидним. Технологія масштабується. У регіонах села, що розвиваються, могли б стати самодостатніми. Ферми могли забезпечувати себе енергією. У індустріально розвинених країнах ми могли скоротити наш вуглецевий слід. Ми могли б отримувати енергію з боліт. Ми могли б використати теплиці. Ми могли б інтегрувати їх у біо Raffineries (біопереробні заводи).
Звучить дуже добре, щоб бути правдою.
Але це нова інтерпретація старої ідеї. Це рослинно-мікробні паливні елементи. Вони екологічні. Вони тихі. Вони лише розпочинають свій шлях.
Хімія живої енергії
Може здатися, що для електрики потрібні дроти та мережі, але природа вже еони назад запустила свої власні мікроелектростанції просто під нашими ногами. Не магія. Це просто біологія з електричним ухилом.
Рослини – це активні машини фотосинтезу. Вони вловлюють сонячне світло, перетворюють його на хімічну енергію і запасають у вигляді цукрів. Але вони не залишають усе це у себе. Через коріння вони виділяють відходи в ризосферу. Це зона ґрунту, що знаходиться під прямим впливом кореневих виділень. Там мешкають бактерії. Вони поїдають цукру та білки, які виділяє рослина.
Ці відносини є двигуном рослинного мікробного паливного осередку (PMFC). Рослина забезпечує паливо. Бактерії забезпечують механізм. Поки світить сонце і рослина залишається зеленою, бактерії мають «квиток на обід». І цей обід генерує електрику.
Так, перший закон термодинаміки все ще діє. Не можна отримати енергію з нічого. Сонце є зовнішнім джерелом. Але перетворення відбувається у землі.
Як мікроби перетворюють їжу на струм
Отже, як поїдання цукру створює іскру? Це – хімія. Зокрема, йдеться про розподіл реакції на дві частини.
У стандартній моделі горіння або дихання глюкоза та кисень реагують, утворюючи вуглекислий газ та воду. Рівняння виглядає чисто:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
Але клітини не роблять цього одним великим стрибком. Вони розбивають процес на кроки. Деякі з цих проміжних етапів вивільняють електрони. Електрони це те, що нам потрібно для струму.
Замість повної реакції мікробний процес поділяється так:
C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 24H+ + 24e-
Зауважте електрони (e-) у правій частині? Це вільні агенти. Їм кудись треба йти. Вони хочуть поєднатися з киснем.
Цей поділ визначає дві половини паливного елемента.
Перша половина відбувається в ризосфері. Там темно, волого, і повно бактерій, що розкладають кореневі виділення. Коріння рослин, відходи та мікроби ділять цей простір.
Друга половина знаходиться з іншого боку проникної мембрани. У природі цією мембраною є межа між ґрунтом та водою. Там багато кисню.
Ланцюг замкнутий
Тут трапляється магія. Протони (H+) та електрони (e-) з першої половини повинні зустрітися з киснем, щоб завершити реакцію.
У другій камері вони з’єднуються з киснем, утворюючи воду:
6O2 + 24H+ + 24e- → 12H2O
Протони проходять через іонообмінну мембрану. Це створює чистий позитивний заряд. Електрони? Вони не можуть перетнути мембрану. Тому вони йдуть довгим шляхом. Вони течуть зовнішнім дротом, щоб дістатися до боку з киснем.
Ця течія і є струм. Ось і все. Ви тільки що використовували рослинні відходи для харчування чогось.
Виявлення потенційних проблем
Звучить ідеально. Чиста енергія. Жодних рухомих частин. Але ж є проблеми.
Ми до кінця не розуміємо, як електроди впливають на середовище навколо коріння. Вставка металевих зондів у ґрунт змінює все. Це може знизити доступність поживних речовин. Це може послабити імунну систему рослини. Якщо рослина загине, паливний осередок зупиниться.
Потім є проблема з розташуванням. PMFC найкраще працюють у болотах та сільськогосподарських угіддях. Це землі, що охороняються. Екологічне схвалення для встановлення електродів в болотах, що охороняються, стане юридичним кошмаром.
Проте є потенційна перевага. Мікробні паливні елементи у стічних водах можуть окислювати амоній та відновлювати нітрати. Сільськогосподарські стоки – величезна проблема для боліт. Якщо PMFC зможуть допомогти очистити воду, одночасно генеруючи енергію, вони можуть компенсувати екологічний ризик.
Це компроміс. Ми розглядаємо технологію, яка може зцілювати землю, водночас живлячи її. Але нам потрібно точно знати, що саме роблять ці електроди з корінням, перш ніж висаджувати їх усюди.
Наука надійна. Інженерія хаотична. Майбутнє каламутне.
Межі зеленої електроенергії
Подивіться на встановлення PMFC у 2012 році. Вона виглядає як сад. Конкретніше як сад болотного типу. У грунті ростуть очерет, рис, спартинг або гігантська очерет. З землі виходять різнокольорові дроти. Це єдина підказка у тому, що генерується енергія.
Вони виробляють трохи потужності. Поки що. Вони працюють лише у воді.
Але наука рухається вперед. Дослідників рухає більша проблема: конфлікт між продовольством та енергією. Біопаливо створює навантаження на світові продовольчі запаси. PMFC пропонують вихід із цієї ситуації. Їм не потрібно осушення рисових полів. Фермери можуть вирощувати їжу. Села можуть встановлювати такі системи на болотах. На ділянках з бідним ґрунтом можна генерувати енергію, не забираючи орні землі.
Теплиці могли б використовувати їх цілий рік. Відкриті поля? Це залежить від сезону.
Локальна енергетика знижує необхідність транспортування палива. Менше перевезень – менше викидів вуглецю. Звучить як перемога.
Є вузьке місце. Велике. Сама рослина.
Фотосинтез неефективний. Хлоропласти поглинають світло лише в діапазоні 400-700 нанометрів. Це 45 відсотків сонячної радіації. Решта відбивається. Рослини витрачають марну решту.
Рослини C3 та C4 справляються з цим по-різному. Рослини C3 спочатку утворюють тривуглецеві молекули. Вони становлять 95 відсотків видів. Дерева, пшениця, рис. Їхня теоретична межа ефективності становить 4,6 відсотка. Насправді вони досягають 70 відсотків від цього значення. Близько 3,2 відсотки.
Рослини C4? Кукурудза. Цукрова тростина. Вони утворюють чотиривуглецеві молекули. Вони кращі. Теоретична межа: 6 відсотків. Практична межа: близько 4,2 відсотка.
Потім йде ґрунт. Лише 20 відсотків біомаси рослини досягає зони коріння. Ризосфера. Звідти лише 30 відсотків стає їжею для бактерій. Мікроби виконують свою роботу. Вони виділяють електрони.
PMFC захоплюють 9 відсотків цієї мікробної енергії у вигляді електрики.
Порахуйте.
Для рослин C3: 0,70 х 0,046 х 0,20 х 0,30 х 0,09.
Результат: 0,017 відсотка перетворення сонячної енергії на електричну.
Для рослин C4: 0,70 х 0,060 х 0,20 х 0,30 х 0,09.
Результат: 0,022 відсотка.
Невеликі числа. Але деякі дослідники вважають, що ці моделі надто песимістичні. Якщо потенціал вищий, виграють споживачі.
Надія на водень
Паливні елементи набирають популярності. Вони забезпечують автомобілям більший запас ходу, ніж батареї. Вони найкраще підходять для великогабаритних транспортних засобів. Інтерес різко зріс наприкінці 2012 року.
Водневі паливні елементи здаються екологічно чистими. Але це негаразд. Виробництво водню потребує величезної кількості електроенергії. Процес не є вуглецево-нейтральним. Це суперечить самій меті.
PMFC природно виробляють водневий газ. Через той самий мікробний процес, який генерує електрику. Це може стати ключем до істинно зеленого виробництва водню.
Від нафти до плугів
Перехід від нафти до рослин – це не лише питання палива. Це питання використання землі. Це питання припинення конкуренції між продовольством та енергією. Болота стають електростанціями. Рисові поля стають гібридними системами. Грунт працює інтенсивніше. Мережа стає чистішою.
Ефективність низька. Технологія молода. Але альтернатива — видобуток нафти з-під землі — дедалі більше здається застарілою. Коріння готове.
Ця технологія не позбавлена недоліків. Мікробні паливні елементи на основі рослин (PMFC) перебувають у стані протиріччя. Субстрат повинен підтримувати кореневу систему рослин одночасно забезпечуючи перенесення електронів. Ці дві цілі часто конфліктують одна з одною. Візьмемо, наприклад, рівень pH. Якщо кислотність у двох камерах осередку відрізняється, іони прямують через мембрану, щоб вирівняти показники. Це призводить до короткого замикання напруги. Електричний потенціал падає. Інженерам потрібно вирішити цю проблему.
Усуніть ці недоліки, і потенціал виявиться приголомшливим. Все залежить від густини енергії. Дослідження 2008 року оцінило вихід у 21 гігаджоуль на гектар на рік. Це 5800 кіловат-годин на 2,5 акра. Нові дані припускають, що цей показник може злетіти до 1 000 гігаджоулів на гектар.
Щоб зрозуміти масштаб, розглянемо базові значення:
– В одному барелі нафти міститься близько 6 гігаджоулів хімічної енергії.
– У Європі налічується 13,7 мільйона фермерів. Середній розмір ферми складає 12 га.
– У США працює 2 мільйони фермерів. Середній розмір ферми складає 180 га.
Проведіть розрахунки. Якби лише 1 відсоток орних земель у США та Європі перейшов на технологію мікробних паливних елементів на основі рослин, обсяг виробництва був би колосальним. Європа могла б виробляти 34,5 мільйонів гігаджоулів щороку. США могли б досягти показника 75,6 мільйона гігаджоулів.
Порівняйте це із споживанням. 2010 року 27 країн ЄС спалили 1 759 мільйонів тонн нафтового еквівалента (TOE). Це дорівнює 74,2 мільярда гігаджоулів. Або 20,5 трильйона кіловат-годин. TOE – це стандартна метрика для порівняння джерел енергії. Одна тонна нафтового еквівалента.
У цій спрощеній моделі PMFC це крапля в морі. Величезна крапля, але все-таки крапля порівняно із загальним попитом. Однак це крапля без забруднення. Вона надходить із зелених полів, а не з димових труб або вітряних турбін, що вбивають птахів.
Це лише початок. Дослідники розробляють бактерії, які переробляють відходи швидше. У період з 2008 по 2012 роки зміни у хімічному складі субстрату подвоїли електричний вихід у деяких випробуваннях. Компанія PlantPower, ключовий гравець у цій галузі, стверджує, що вдосконалені PMFC можуть забезпечити 20 відсотків первинної енергії Європи. Це енергія, одержувана безпосередньо із природних, нетрансформованих джерел.
Ціна, як і раніше, є бар’єром. Вони мають стати дешевшими та ефективнішими перед широким впровадженням. Прогрес іде. Виробники відмовляються від дорогоцінних металів на користь електродів із провідної вуглецевої тканини. Це заощаджує гроші. У 2012 році запуск установки об’ємом один кубічний метр у лабораторії коштував 70 доларів.
Подумайте про побічні переваги. Видалення забруднювачів. Зниження викидів парникових газів. Якщо інвестори та уряди побачать цінність, PMFC можуть стати електростанціями майбутнього. Або вони можуть просто посіяти насіння чогось ще кращого.
