Смогут ли растения стать новым источником экологически чистой энергии
В погоне за альтернативными источниками энергии ученые не обошли стороной и царство растений. Разумеется, речь идет о гораздо более продвинутых технологиях, чем «классическое» извлечение электроэнергии из картофелины или апельсина с помощью воткнутых в них электродов. Целая область науки ищет, чем бы заполнить новую страницу в истории взаимоотношений человека и зеленых легких планеты. Подробнее об этом, а также о развиваемом в России проекте «Green Spark», который уже дает энергию из биофотогальванических ячеек, можно будет узнать 19 мая на фестивале «Политех».
По интернету давно бродят фото- и видеоизображения горящих лампочек, присоединенных к картофелине (апельсину, лимону, яблоку). Также в сети полно инструкций, как в домашних условиях изготовить картошкобатарейку. Достаточно взять картофелину, медный и оцинкованный электроды (гвозди, например), соединительные провода и светодиодную лампочку для демонстрации электрического эффекта. В один бок корнеплода (или фрукта) втыкаем цинковый электрод, затем соединяем его с лампочкой, другой полюс лампочки соединяем с медным электродом, который втыкаем в ту же картофелину, но с другого бока.
Все эти действия рациональны и химически объяснимы: кислая среда внутри растительного источника создает необходимое количество свободных протонов (H+). В такой среде при взаимодействии с активным (хорошо отдающим электроны) металлом выделяются свободные носители отрицательного элементарного заряда, готовые бежать по цепи и заставлять лампочку светиться. В свою очередь, поток протонов от анода к катоду, как положено в батарейках, создает электродвижущую силу и замыкает цепь. Катод делается из менее активного металла (цинк против меди). А в качестве активной среды подойдет даже лист или стебель — любая, даже слабокислотная, часть растения.
Важный вопрос: насколько такие аккумуляторы эффективны? (И не полезнее ли будет их употреблять в классическом виде — в пищу?) Для ответа на него есть много экспериментальных демонстраций, которые позволяют рассчитать: чтобы зарядить смартфон, понадобится около 50 килограммов картофеля. Безусловно, конкретные характеристики растительного аккумулятора зависят от многих факторов — кислотности источника энергии (так, лимон явно кислее картофеля), свежести образца и даже кислотности почвы, в которой он вырос. Прибавим сюда качество гвоздей, сплавов, которыми эти гвозди покрыты и так далее. Но, как ни подбирай ингредиенты, явным недостатком вегетарианской подзарядки будет ее невысокая эффективность при большой отходности. Что картофелина, что лимон работать будут недолго, их придется часто менять, и пока зарядится смартфон, не один мешок опустеет.
Так что этот способ — скорее забавная шутка или фантазия для постапокалиптического сценария, чем надежда для удаленных и лишенных промышленных электростанций уголков Земли.
Солнечная батарея — один из самых популярных экологичных энергетических девайсов. В ее основе лежит красивая идея — взять солнечную энергию, которая и так греет планету, и извлечь из нее электроэнергию без всяких побочных эффектов. Однако у этих устройств, несмотря на то, что они изобретены уже давно и с тех пор постоянно совершенствуются, есть ряд существенных недостатков. Главные из них — низкая эффективность (лишь некоторые коммерческие образцы обладают КПД на уровне 20 процентов) и ограниченная функциональность (работают, только пока светит солнце).
Растения — те же солнечные батареи, просто естественные. В процессе фотосинтеза молекулы пигментов, находящиеся в мембранах тилакоидов, поглощают энергию солнечного света и преобразуют ее в энергию химических соединений.
Физически при поглощении кванта света определенной частоты электрон в молекуле пигмента переходит из основного состояния в возбужденное, то есть на более высокий энергетический уровень. «Разрядка» возбужденного состояния молекулы хлорофилла может происходить в виде выделения тепла или в флуоресценции, кроме того энергия возбужденного состояния может передаваться соседней молекуле пигмента или расходоваться на фотохимические процессы.
Более 90 процентов хлорофилла хлоропластов входит в состав светособирающих комплексов — своеобразных антенн, переносящих энергию возбуждения к реакционным центрам первой и второй фотосистемы для последующего первичного разделения зарядов. В этих же фотосистемах сперва происходят окислительно-восстановительные превращения хлорофилла, а затем — фиксация энергии света в химическую энергию. Окисленные молекулы хлорофилла восстанавливаются, отбирая электроны у воды, далее в ходе нескольких химических реакций образуются кислород и свободные электроны и протоны (H). Кислород удаляется во внешнюю среду, а протоны приводя к тому, что мембрана тилакоида с одной стороны заряжается положительно за счет H+, с другой стороны — отрицательно за счет электронов. Далее процесс продолжается и завершается уже в без участия солнечного света синтезом органики из фиксированного из атмосферы углекислого газа.
Инженеры с завистью смотрят на зеленые листья и думают, как бы им подключиться к этому мембранному конденсатору. Ведь фотосистемы растительных пигментов используют солнечную энергию с очень большой эффективностью (если считать в поглощенных фотонах на вырабатываемый электрон). Некоторые даже утверждают, что нашли путь к хакингу фотосинтеза и уводу электронов прямо из-под носа у реакционных центров.
К счастью, растения помогают добыть электричество и другими способами, которые гораздо проще поддаются перепрофилированию в сторону удовлетворения потребностей цивилизации. В последние годы популярным направлением развития «зеленых» гальванических элементов стали так называемые топливные ячейки «бактерия + растение» (plant-microbial fuel cells, PMFCs). В отличие от батареек на картошке, такой тип растительных источников энергии, теоретически, является самообновляемым: все, что ему нужно для функционирования и генерации, — это солнечный свет, углекислый газ, вода и подходящие растения.
Прообразом подобной концепции был некоторый гальванический контейнер, в котором под воздействием бактерий в осадочном грунте (например, в иле на дне водоемов) расщеплялась содержащаяся в нем органика (Microbial fuel cells, MFCs). Такой осадочный реактор в комплекте с электродами играет роль анода, катод при этом погружен в воду. Как и в стандартной «батарейке», положительные ионы движутся от анода к катоду, замыкая цепь.
Вышеописанную систему удалось усовершенствовать, пересадив в илистый реактор водные растения, — именно этот апгрейд позволяет инженерам надеяться на самовоспроизводимость источника питания. Растения, поглощая солнечную энергию и углекислый газ, в процессе фотосинтеза генерируют органические вещества, часть из которых попадает в почву. Симбиотические бактерии, живущие вблизи корней, расщепляют эту органику, выделяя электроны в качестве побочного продукта. Эти электроны могут быть захвачены анодом.
Эффективность биофотогальванических систем зависит от многих факторов. Это и количество выделяемой в почву органики, и доступность этой органики для микроорганизмов, и эффективность «сбора» электронов фотогальванической системой. Первые два фактора практически недоступны для улучшения — в лучшем случае человек может подобрать растения, выделяющие органику с более длинными углеродными цепями или с более «удобной» для микроорганизмов корневой системой. Поэтому наиболее перспективный пункт — повышение эффективности захвата электронов.
Но и тут инженеров и дизайнеров ожидает много сложностей. Например, более «легкая», с точки зрения расщепления бактериями, органика (глюкоза, аминокислоты), с одной стороны, могла бы привести к повышению эффективности выделения электронов. Однако это улучшение реализуется только в модельных системах, в реальной жизни в контейнере быстро заводятся бактерии, перерабатывающие простую органику без всякого выделения электронов. А ведь ученые хотели бы использовать в качестве фотогальванических ячеек не только лабораторные сосуды, но и реальные системы с подходящими свойствами — например, неиспользуемые рисовые поля (paddies).
Или, например, переход от MFCs к PMFCs дал надежду на самовоспроизводимость системы, но привел к нежелательному эффекту: растения, помимо постоянной подачи органики, еще и обогащают осадочный грунт кислородом, который успешно конкурирует с анодом в сборе электронов. Таких неожиданных препятствий, снижающих показатели эффективности ячеек, придется преодолеть еще много, и пока разработки находятся на начальном уровне, невозможно предположить, станет ли подобная технология экономически рентабельной.
В России биологические фотогальванические ячейки разрабатываются в рамках проекта «Green Spark». Координаторами проекта в «Шухов Лаб» (Лаборатории прототипирования городов будущего) являются Елена и Иван Митрофановы, совместно с Паоло Бомбелли из Кембриджского университета.
Сейчас они работают над конструкцией со стенами высотой два с половиной метра, состоящей из десятков подвешенных в керамических модулях ячеек-батарей, наполненных симбиотической системой растений и бактерий. В зависимости от конфигурации, ячейки могут давать напряжение от 0,2 до 0,6 вольта. Средняя эффективность растительно-микробного симбиоза составляет примерно 3–5 микровольт с квадратного метра. Итоговая сила тока, естественно, зависит от конфигурации соединения блоков.
Конструкция блоков специально разработана так, чтобы воссоздать естественный микроклимат для используемых растений. Роль анода в ячейках играет углеволокно, которое не окисляется, не вредит биосистеме и служит долго. Однако и эта конструкция требует оптимизации, так как ее текущая эффективность сбора электронов составляет примерно один процент.
«Проект и область исследования достаточно новые, то есть совсем немного людей ведут научные разработки в этом направлении. Наверняка через пять-десять лет мы сможем собирать если не все электричество [вырабатываемое в ячейках], то явно гораздо больший процент», — говорит Елена Митрофанова, архитектор-дизайнер и координатор проекта «Green Spark».
Инсталляцию, представляющую собой последовательные и параллельные электрические цепи блоков для подзарядки экрана, который транслирует сообщения и визуализирует поступающее напряжение, можно будет подробно изучить 19 мая на фестивале «Политех».
«Вода в ячейках необходима для электронной проводимости и служит солевым мостиком, поэтому мы выбираем влаголюбивые растения — это единственный критерий их отбора. В нашем проекте электроны — остаточный продукт расщепления органики, собирая их, мы никак не вредим экосистеме», — говорит Елена.
Помимо наших соотечественников и их коллег из Кембриджа, подобный проект развивает голландская компания Plant-e, но уже на промышленном, а не научном уровне.