Почти все живые существа на этой планете работают на солнечной энергии. Механизм прост: растения превращают солнечный свет в химическую энергию. Животные едят растения. Люди едят животных или растения. Мы сжигаем древесину, уголь или переработанные сельскохозяйственные культуры для получения тепла. Нефть — это просто древняя биомасса, которая окаменела за миллионы лет. Даже биотопливо первого поколения производится из кукурузы, сахарного тростника или растительных масел. Это замкнутый цикл.
Цикл нарушен.
Нефть грязна. Она создает геополитическую нестабильность. Она загрязняет окружающую среду. Биотопливо первого поколения не является углеродно-нейтральным. Для его переработки требуется сжигать другие виды топлива. Более серьезная проблема — использование земель. Когда вы превращаете продовольственные культуры в топливо, предложение падает. Цены взлетают. Голод усиливается. За этим следуют политические напряжения.
Есть ли лучший способ?
Исследователи рассматривают вопрос с другой стороны. Они хотят получать энергию от культур, не убивая их. Они хотят использовать земли, непригодные для производства продовольствия. Они хотят, чтобы микробы выполняли основную работу. Это основная концепция растительно-микробных топливных элементов.
Растения находятся в центре внимания. Микробам достается вина. Но оба необходимы. Цианобактерии составляют основу пищевой цепи. Микробы кишечника помогают нам переваривать пищу. Почвенные бактерии перерабатывают отходы в питательные вещества для растений. На протяжении десятилетий ученые изучали этот микробный метаболизм. Они хотели извлекать из него энергию.
К 1970-м годам у них появился прототип.
Эти ранние устройства назывались микробными топливными элементами. Они вырабатывают электричество за счет химических реакций, управляемых микробами. Выходная мощность низкая. Но она возобновляема. Микробные топливные элементы могут мониторить загрязнители. Они могут помогать очищать воду. Они могут опреснять. Они могут питать удаленные датчики.
Есть ограничение.
Микробным топливным элементам нужна еда. Обычно такой пищей являются органические отходы в сточных водах. Исследователи поняли одну простую вещь. Растения выделяют сахара в почву. С точки зрения растения, это отходы. Для почвенных микробов это топливо. Это бесконечный, работающий на солнечной энергии буфет. Зачем собирать отходы, если можно просто подключиться к живому корню?
Идея прижилась.
К 2008 году начали появляться научные статьи. Были объявлены первые растительные МТЭ. Потенциал был очевиден. Технология масштабируема. В развивающихся регионах деревни могли бы стать самодостаточными. Фермы могли бы обеспечивать себя энергией. В индустриально развитых странах мы могли бы сократить наш углеродный след. Мы могли бы получать энергию из болот. Мы могли бы использовать теплицы. Мы могли бы интегрировать их в био Raffineries (биоперерабатывающие заводы).
Звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой.
Но это просто новая интерпретация старой идеи. Это растительно-микробные топливные элементы. Они экологичны. Они тихие. Они только начинают свой путь.
Химия живой энергии
Может показаться, что для электричества нужны провода и сети, но природа уже эоны назад запустила свои собственные микроэлектростанции прямо под нашими ногами. Это не магия. Это просто биология с электрическим уклоном.
Растения — это активные машины фотосинтеза. Они улавливают солнечный свет, преобразуют его в химическую энергию и запасают в виде сахаров. Но они не оставляют всё это у себя. Через корни они выделяют отходы в ризосферу. Это зона почвы, находящаяся под прямым влиянием корневых выделений. Там живут бактерии. Они поедают сахара и белки, которые выделяет растение.
Эти отношения являются двигателем растительной микробной топливной ячейки (PMFC). Растение обеспечивает топливо. Бактерии обеспечивают механизм. Пока светит солнце и растение остаётся зелёным, у бактерий есть «билет на обед». И этот обед генерирует электричество.
Да, первый закон термодинамики всё ещё действует. Нельзя получить энергию из ничего. Солнце является внешним источником. Но преобразование происходит прямо в земле.
Как микробы превращают пищу в ток
Итак, как поедание сахара создаёт искру? Это химия. В частности, речь идёт о разделении реакции на две части.
В стандартной модели горения или дыхания глюкоза и кислород реагируют, образуя углекислый газ и воду. Уравнение выглядит чисто:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
Но клетки не делают этого одним большим скачком. Они разбивают процесс на шаги. Некоторые из этих промежуточных этапов высвобождают электроны. Электроны — это то, что нам нужно для тока.
Вместо полной реакции микробный процесс разделяется следующим образом:
C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 24H+ + 24e-
Заметьте электроны (e-) в правой части? Это свободные агенты. Им куда-то нужно идти. Они хотят соединиться с кислородом.
Это разделение определяет две половины топливного элемента.
Первая половина происходит в ризосфере. Там темно, влажно, и полно бактерий, разлагающих корневые выделения. Корни растений, отходы и микробы делят это пространство.
Вторая половина находится по другую сторону проницаемой мембраны. В природе этой мембраной является граница между почвой и водой. Там много кислорода.
Цепь замкнута
Здесь происходит магия. Протоны (H+) и электроны (e-) из первой половины должны встретиться с кислородом, чтобы завершить реакцию.
Во второй камере они соединяются с кислородом, образуя воду:
6O2 + 24H+ + 24e- → 12H2O
Протоны проходят через ионообменную мембрану. Это создаёт чистый положительный заряд. Электроны? Они не могут пересечь мембрану. Поэтому они идут долгим путём. Они текут по внешней проволоке, чтобы добраться до стороны с кислородом.
Это течение и есть ток. Вот и всё. Вы только что использовали растительные отходы для питания чего-либо.
Выявление потенциальных проблем
Звучит идеально. Чистая энергия. Никаких движущихся частей. Но есть проблемы.
Мы до конца не понимаем, как электроды влияют на среду вокруг корней. Вставка металлических зондов в почву меняет всё. Это может снизить доступность питательных веществ. Это может ослабить иммунную систему растения. Если растение погибнет, топливная ячейка остановится.
Затем есть проблема с расположением. PMFC лучше всего работают в болотах и сельскохозяйственных угодьях. Это охраняемые земли. Экологическое одобрение для установки электродов в охраняемых болотах станет юридическим кошмаром.
Однако есть потенциальное преимущество. Микробные топливные элементы в сточных водах могут окислять аммоний и восстанавливать нитраты. Сельскохозяйственные стоки — огромная проблема для болот. Если PMFC смогут помочь очистить эту воду, одновременно генерируя энергию, они могут компенсировать экологический риск.
Это компромисс. Мы рассматриваем технологию, которая может исцелять землю, одновременно питая её. Но нам нужно точно знать, что именно делают эти электроды с корнями, прежде чем высаживать их повсюду.
Наука надёжна. Инженерия хаотична. Будущее мутно.
Пределы зеленой электроэнергии
Посмотрите на установку PMFC в 2012 году. Она выглядит как сад. Конкретнее — как сад болотного типа. В почве растут тростник, рис, спартинга или гигантский тростник. Из земли выходят разноцветные провода. Это единственная подсказка о том, что генерируется энергия.
Они вырабатывают немного мощности. Пока что. Они работают только в воде.
Но наука движется вперед. Исследователей движет более крупная проблема: конфликт между продовольствием и энергией. Биотопливо создает нагрузку на глобальные продовольственные запасы. PMFC предлагают выход из этой ситуации. Им не требуется осушение рисовых полей. Фермеры могут продолжать выращивать пищу. Деревни могут устанавливать такие системы на болотах. На участках с бедной почвой можно генерировать энергию, не отнимая пахотные земли.
Теплицы могли бы использовать их круглый год. Открытые поля? Это зависит от сезона.
Локальная энергетика снижает необходимость транспортировки топлива. Меньше перевозок — меньше выбросов углерода. Звучит как победа.
Есть узкое место. Большое. Само растение.
Фотосинтез неэффективен. Хлоропласты поглощают свет только в диапазоне 400–700 нанометров. Это 45 процентов солнечной радиации. Остальное отражается. Растения тратят впустую остальную часть.
Растения C3 и C4 справляются с этим по-разному. Растения C3 сначала образуют трехуглеродные молекулы. Они составляют 95 процентов видов. Деревья, пшеница, рис. Их теоретический предел эффективности составляет 4,6 процента. На практике они достигают 70 процентов от этого значения. Около 3,2 процента.
Растения C4? Кукуруза. Сахарный тростник. Они образуют четырехуглеродные молекулы. Они лучше. Теоретический предел: 6 процентов. Практический предел: около 4,2 процента.
Затем идет почва. Только 20 процентов биомассы растения достигает зоны корней. Ризосферы. Оттуда только 30 процентов становится пищей для микробов. Микробы выполняют свою работу. Они выделяют электроны.
PMFC захватывают 9 процентов этой микробной энергии в виде электричества.
Посчитайте.
Для растений C3: 0,70 x 0,046 x 0,20 x 0,30 x 0,09.
Результат: 0,017 процента преобразования солнечной энергии в электрическую.
Для растений C4: 0,70 x 0,060 x 0,20 x 0,30 x 0,09.
Результат: 0,022 процента.
Маленькие числа. Но некоторые исследователи считают, что эти модели слишком пессимистичны. Если потенциал выше, выигрывают потребители.
Надежда на водород
Топливные элементы набирают популярность. Они обеспечивают автомобилям больший запас хода, чем батареи. Они лучше подходят для крупногабаритных транспортных средств. Интерес резко вырос в конце 2012 года.
Водородные топливные элементы кажутся экологически чистыми. Но это не так. Производство водорода требует огромного количества электроэнергии. Процесс не является углеродно-нейтральным. Это противоречит самой цели.
PMFC естественным образом производят водородный газ. Через тот же микробный процесс, который генерирует электричество. Это может стать ключом к истинно зеленому производству водорода.
От нефти к плугам
Переход от нефти к растениям — это не только вопрос топлива. Это вопрос использования земли. Это вопрос прекращения конкуренции между продовольствием и энергией. Болота становятся электростанциями. Рисовые поля становятся гибридными системами. Почва работает интенсивнее. Сеть становится чище.
Эффективность низкая. Технология молода. Но альтернатива — добыча нефти из-под земли — все больше кажется устаревшей. Корни готовы.
Эта технология не лишена недостатков. Микробные топливные элементы на основе растений (PMFC) находятся в состоянии противоречия. Субстрат должен поддерживать корневую систему растений, одновременно обеспечивая перенос электронов. Эти две цели часто конфликтуют друг с другом. Возьмем, к примеру, уровень pH. Если кислотность в двух камерах ячейки различается, ионы устремляются через мембрану, чтобы выровнять показатели. Это приводит к короткому замыканию напряжения. Электрический потенциал падает. Инженерам необходимо решить эту проблему.
Устраните эти недостатки, и потенциал окажется ошеломляющим. Все зависит от плотности энергии. Исследование 2008 года оценило выход в 21 гигаджоуль на гектар в год. Это 5 800 киловатт-часов на 2,5 акра. Более свежие данные предполагают, что этот показатель может взлететь до 1 000 гигаджоулей на гектар.
Чтобы понять масштаб, рассмотрим базовые значения:
— В одной барреле нефти содержится около 6 гигаджоулей химической энергии.
— В Европе насчитывается 13,7 миллиона фермеров. Средний размер фермы составляет 12 гектаров.
— В США работает 2 миллиона фермеров. Средний размер фермы составляет 180 гектаров.
Проведите расчеты. Если бы всего 1 процент пахотных земель в США и Европе перешел на технологию микробных топливных элементов на основе растений, объем производства был бы колоссальным. Европа могла бы производить 34,5 миллиона гигаджоулей ежегодно. США могли бы достичь показателя в 75,6 миллиона гигаджоулей.
Сравните это с потреблением. В 2010 году 27 стран ЕС сожгли 1 759 миллионов тонн нефтяного эквивалента (TOE). Это равно 74,2 миллиарда гигаджоулей. Или 20,5 триллиона киловатт-часов. TOE — это стандартная метрика для сравнения источников энергии. Одна тонна нефтяного эквивалента.
В этой упрощенной модели PMFC — это капля в море. Огромная капля, но все же капля по сравнению с общим спросом. Однако это капля без загрязнения. Она поступает из зеленых полей, а не из дымовых труб или ветряных турбин, убивающих птиц.
Это только начало. Исследователи разрабатывают бактерии, которые перерабатывают отходы быстрее. В период с 2008 по 2012 год изменения в химическом составе субстрата удвоили электрический выход в некоторых испытаниях. Компания PlantPower, ключевой игрок в этой области, утверждает, что усовершенствованные PMFC могут обеспечить 20 процентов первичной энергии Европы. Это энергия, получаемая напрямую из природных, нетрансформированных источников.
Цена по-прежнему является барьером. Они должны стать дешевле и эффективнее перед широким внедрением. Прогресс идет. Производители отказываются от драгоценных металлов в пользу электродов из проводящей углеродной ткани. Это экономит деньги. В 2012 году запуск установки объемом один кубический метр в лаборатории стоил 70 долларов.
Подумайте о побочных преимуществах. Удаление загрязнителей. Снижение выбросов парниковых газов. Если инвесторы и правительства увидят ценность, PMFC могут стать электростанциями будущего. Или они могут просто посеять семя чего-то еще более лучшего.
