Игра на понижение

Огонь помог древним приматам эволюционировать до человека прямоходящего, заселить Землю и достичь невиданного технологического прогресса. В XXI веке процессы горения до сих пор обеспечивают грандиозную часть производства — при этом, однако, нанося вред природе и здоровью человека. Миру нужны более экологичные альтернативы. Одной из них может быть нагревание. Разбираемся, как в ходе горения образуются опасные соединения, чем от него отличается нагревание и действительно ли мы уверены в том, что одно безопаснее другого.

Нельзя смотреть вечно

Предки современных людей начали использовать огонь для приготовления пищи 2,5 миллиона лет назад и вскоре почувствовали, почему приготовленное блюдо лучше сырого. Термическая обработка сделала еду более питательной и мягкой. Благодаря этому улучшилась физическая форма приматов и выросла продолжительность их жизни — зубы дольше оставались достаточно здоровыми, чтобы пережевывать твердую пищу.

Тогда же, по мнению исследователей, появилась необходимость социализироваться: предкам человека нужно было совместно поддерживать пламя, распределять обязанности и общаться за трапезой. Так, не без помощи огня гоминиды в конце концов эволюционировали до Homo erectus, человека прямоходящего. Ученые предполагают, что благодаря привычке собираться у костра социальные навыки стали играть большую роль в жизни отдельного гоминида, а у наших предков выработалась реакция расслабления при виде пламени, которая передалась и современным людям.

Около 1,8 миллиона лет назад огонь помог древним людям выбраться за пределы Африки и освоить территории с менее дружелюбным климатом, а в неолите, уже около 10 тысяч лет до нашей эры, — совершить первую сельскохозяйственную революцию. Люди выжигали территории с многолетними растениями, а на освободившейся земле высаживали однолетние растения. Так за огнем закрепился статус незаменимого бытового инструмента.

Значительно позже изобретение двигателей внутреннего сгорания, открытие нефти как топлива и использование угля на производствах по обработке металлов привели к промышленным революциям XIX века. Горение стало частью массового производства и в очередной раз подстегнуло развитие человечества.

Приготовленная на огне пища, которая помогла нашим предкам дольше жить, теперь считается одной из возможных причин возникновения многих видов рака. Все дело в полициклических ароматических углеводородах (ПАУ) — органических соединениях, многие из которых являются сильными канцерогенами. Некоторые ПАУ изначально присутствует в мясе, а другие образуются при обжаривании на огне, углях или в масле. Самые распространенные ПАУ, MeIQx и PhIP, повышают риск возникновения рака печени, желудка, почек и толстой кишки.

Китайские и британские ученые выяснили, что приготовление еды на костре и углях — это в принципе не самый безопасный метод кулинарии. В исследовании приняли участие 280 тысяч жителей Китая, которые на момент его начала не курили и не имели хронических заболеваний. Оказалось, что по сравнению с людьми, которые пользуются газовыми или электрическими плитами, шанс развития респираторных заболеваний повышается на 7 процентов, если готовить на печах с древесным топливом, и на 6 процентов, если использовать угольное топливо. По мнению авторов, переход на «чистое» топливо полезен для профилактики респираторных заболеваний, а в позднем возрасте по эффекту для здоровья может быть аналогичен отказу от курения.

Впрочем, далеко не всякое горение приносит вред: можно сжигать водород в кислороде, получая воду и больше ничего. При каких условиях и почему образуются токсичные или нежелательные вещества, например углекислый газ? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо разобраться в том, что такое горение.

Гори-гори ясно

С точки зрения физики, горение — это самоподдерживающийся процесс, который сопровождается превращением веществ и интенсивным выделением энергии. Под это определение попадают термоядерный синтез и быстрые цепочки окислительно-восстановительных реакций (ОВР). Но большая часть процессов горения на Земле происходит именно посредством второго механизма, а термоядерный синтез встречается разве что в токамаках.

Почему именно ОВР, а не другие типы химических реакций? Горение — именно самоподдерживающийся процесс, то есть для его протекания не требуется непрерывно подводить тепло извне. Это означает, что в процессе горения имеют место превращения веществ, приводящие к выделению энергии. Не все реакции протекают по такому сценарию, но большая часть ОВР — да.

По определению при ОВР изменяются степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ. Степень окисления — это условный показатель, который отражает, насколько сильно элемент перетягивает на себя электроны в соединении. Конечно, это происходит не насильственно, а потому, что для электрона уровни электронной оболочки одного атома выгоднее, чем другого.

Когда молекулы встречаются в ходе ОВР, оказывается, что еще лучше передать электроны от одного элемента (восстановитель) другому (окислитель), при этом совсем разрывая некоторые связи и образовывая новые. Таким образом, электроны перетасовываются и занимают наиболее энергетически выгодные места — в физике обычно те, где энергия меньше всего. Раз система стартовала из состояния, где энергия была высокой, а пришла в состояние, где она ниже, в системе образуется «лишняя» энергия, которая выделяется вовне и может пойти на другие нужды. Например, чтобы запустить другие реакции.

Почему тогда все не полыхает синим пламенем, раз горение — это переход в более выгодные состояния, к которым в принципе стремится все в природе? Во-первых, не всякие реагенты при определенных условиях будут превращаться посредством ОВР. Во-вторых, потому, что между точками старта и финиша есть промежуточный этап — неустойчивое состояние, для преодоления которого требуется запас энергии.

Для запуска горения энергию нужно передать извне. Например, этан хорошо горит в кислороде, но не зажжется, пока не чиркнуть спичкой. И только через некоторое время внутренние превращения начинают поддерживать горение своими силами. Наконец, далеко не все ОВР сопровождаются горением. Внутри нас ежемоментно происходит биологическое окисление сложных органических соединений, но неправильно будет сказать, что мы постоянно пылаем изнутри.

Почему так вредно

В определении горения, которое приводилось выше, не было ничего сказано про воздух и содержащийся в нем кислород. Однако еще со школы всем наверняка известно, что свеча, накрытая стеклянным колпаком, быстро гаснет, потому что для протекания ОВР всегда нужны окислитель и восстановитель.

Химический элемент может в одном случае отдавать электроны, а в другом — забирать. Но существуют и такие элементы, которые тяготеют к чему-то одному. Кислород, например, — это преимущественно окислитель. Кстати, не самый сильный. Фтор значительно сильнее, и многие вещества горят в нем со взрывом. Но именно кислород — самый распространенный окислитель на Земле. Существует мнение, что масштабные пожары стали возможны только благодаря насыщению атмосферы молекулами О₂.

Кислорода не только очень много, он также является главным источником энергии в цепных реакциях горения. Причем от топлива это не зависит. Двойная связь в молекуле кислорода гораздо слабее многих других двойных и одинарных связей в веществах, образующихся при окислении.

Итак, большая часть процессов горения на Земле происходит в присутствии кислорода. Если он заканчивается в системе, цепная реакция не может продолжаться. В этом заключается одна из причин образования токсичных соединений.

Еще одна причина образования опасных продуктов — высокие температуры. Разрыв связей во многих соединениях требует большого количества энергии, поэтому формирование некоторых компонентов дыма может быть очень чувствительно к температурам в системе. Пример тому — монооксид азота NO. Проблема с ним стоит довольно остро. Во-первых, он сам по себе является ядовитым газом. Во-вторых, при нормальных температурах NO взаимодействует с кислородом и в результате образуется еще один ядовитый газ — диоксид азота NO₂. Наконец, они оба, выбрасываемые в атмосферу с выхлопными газами, способствуют увеличению концентрации тропосферного озона, который поддерживает парниковый эффект, а также токсичен для растений, людей и других организмов.

Использование твердых видов топлива может приводить к эффекту радиатора: пространство вблизи огня нагревается, что провоцирует интенсивное разложение веществ, которое становится источником вредных соединений. Например, это происходит, когда человек курит сигарету. Воздух поступает к тлеющему кончику, где табак активно окисляется кислородом, и когда человек делает затяжку, температура может достигать 900 °C. Тепло проникает дальше и нагревает внутренние области сигареты, однако там кислорода уже не хватает — вместо горения происходят пиролиз (термическое разложение веществ) и дистилляция (испарение жидкости с последующим охлаждением и конденсацией паров). На этом этапе в табачный дым поступает около ⅓ всех компонентов, в том числе никотин, а вместе с ним, например, аммиак и фенол. Оба токсичны и вызывают раздражение кожи, слизистой и воздействуют на нервную систему.

Наконец, при неполном сгорании в дыме образуются твердые частички сажи. Они опасны сами по себе, так как формируются из продуктов термического разложения ПАУ. Кроме того, на них могут оседать другие вредные соединения. Например, бензапирен — канцероген, опасный для человека даже в малых количествах.

Уйти в отказ

Проблему с продуктами горения можно решать по-разному: использовать более «чистое» органическое топливо, перейти на неорганику или повысить эффективность двигателей. Впрочем иногда, даже несмотря на многовековую связь человечества с огнем, от горения лучше отказаться совсем. При этом нужно учитывать, что замена также может обладать недостатками и не станет панацеей.

Для строительства плотин гидроэлектростанций необходимо затопление обширных территорий. Это приводит к разрушению естественной среды и климатическим изменениям, а также способно вызвать геологические повреждения. Например, строительство плотины Гувера в США спровоцировало целый ряд землетрясений. Ветрогенераторы регулярно становятся причиной смерти птиц и могут влиять на миграцию определенных видов. По этой причине на берегах Мексиканского залива, где морской бриз способен обеспечивать мощность 500–600 Вт/м², на строительство ветряков наложено ограничение.

Постепенно от горения отказываются в области личного и общественного транспорта. С 2018 года на дорогах Москвы появились электробусы. На сегодняшний день в мире существует три варианта двигателей для такого транспорта. Первый — гибридная электрическая технология: используется как двигатель внутреннего сгорания (ДВС), так и электродвигатель (ЭМ). Второй — чисто электрическая технология: автобус оснащен аккумуляторной батареей, которая полностью обеспечивает движение. Наконец, третий — технология топливных элементов. Двигатель использует ископаемое топливо. Однако, в отличие от ДВС, оно не сжигается — вместо этого энергия вырабатывается в ходе электрохимического процесса.

Исследователи отмечают, что использование гибридных двигателей не приводит к значительному снижению выбросов парниковых газов, но может стать важной ступенью на пути к полностью электрическому транспорту. Он действительно оказывается более экологически безопасными: выбросы выхлопных газов снижаются на 75–98 процентов по сравнению с дизельными двигателями.

Лучше жить, а не жечь

Если главной целью процесса горения является не получение энергии и тепла, то не обязательно кардинально менять технологию — достаточно просто снизить мощность. Например, ужин можно приготовить и на пару, воспользовавшись мультиваркой. А специальное покрытие для сковородок помогает добиться оптимальной степени прожарки, не испортив мясо. Иначе говоря, достаточно бывает нагревать, а не жечь.

При нагревании температура повышается. Может происходить дистилляция, термическое разложение, в том числе за счет ОВР. Однако возникновения цепных реакций, которые приводят к наращиванию тепла в системе без участия внешнего источника, как в случае с горением, не происходит. Это позволяет избавиться от свободных радикалов и некоторого количества продуктов неполного горения — например, значительно сократить объем угарного газа.

Тем не менее заранее предсказать, насколько переход к нагреванию позволит избавиться от вредных выбросов, получается не всегда. Подвергаемое термической обработке вещество может состоять из огромного количества компонентов (например, сигаретный дым содержит около 7 тысяч химических соединений, 250 из которых признаны вредными и способствуют развитию заболеваний, связанных с курением). Проследить за превращениями каждого и заранее сказать, какие вещества исчезнут, если отказаться от горения, невозможно. Например, исследование испанских ученых показало, что при высокотемпературном пиролизе (около 850 °C) различных бытовых отходов (полиэтилена, шин, поливинилхлорида, масел, лаков и других), как и при сжигании, происходит выброс значительного количества ПАУ и диоксинов — стойких органических загрязнителей.

Зато изучение канцерогенности мяса, приготовленного разными способами, говорит о том, что его мутагенная активность при тушении, варке, запекании, обработке на пару или в микроволновой печи гораздо ниже, чем при обжаривании на огне или в печи. Это объясняется тем, что образование мутагенов обусловлено термическим разложением белка.

Температура в таких устройствах остается в пределах 240–350 °C. Это подтверждают, например, исследования компании PMI, для которых ученые замеряли температуры в трех различных точках табачного стика по отношению к нагревательному элементу. В результате ни в одной из них температура нагревания не превысила 309 °C. Еще одно принципиальное отличие от сигарет: при затяжке температура табака в стике снижалась, а не повышалась, как происходит при затяжке сигаретой.

Чтобы окончательно удостовериться в отсутствии горения, необходимо оценить уровень оксидов азота и монооксида углерода в аэрозолях в присутствии и отсутствии кислорода — именно эти соединения в большом количестве выделяются при неполном сгорании в воздухе. Эксперименты PMI Science показали, что существенной разницы с воздухом и без него не наблюдается, а значит, горения при использовании СНТ не происходит.

В таком случае можно ожидать снижения вредных веществ. Первичный анализ подтвердил снижение содержания ряда вредных веществ во вдыхаемом аэрозоле СНТ производства PMI — по сравнению с дымом стандартной сигареты 3R4F, используемой в исследованиях. Среднее снижение уровней этих веществ составило 90–95 процентов. Затем в ходе более масштабного исследования удалось определить содержание 532 компонентов аэрозоля.

Кроме того, чтобы выявить новые потенциальные угрозы, был проведен нецелевой дифференциальный скрининг, призванный обнаружить химические соединения, концентрация которых в аэрозоле СНТ могла превышать концентрацию в сигаретном дыме. Большинство обнаруженных соединений были признаны безопасными. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) заключило, что «хотя некоторые из этих химических веществ обладают гено- или цитотоксичностью, они присутствуют в столь малом количестве, что их потенциальное воздействие перевешивается значительно более низким количеством и концентрацией вредных и потенциально вредных компонентов (ВПВК) по сравнению с сигаретами».

Аналогичные исследования проводятся и другими табачными компаниями по всему миру. На данный момент их результаты указывают на уменьшение вредных веществ в аэрозолях конкретных СНТ по сравнению с сигаретным дымом.

Независимые исследования также подкрепляют эти выводы. В СНТ количество канцерогенов, таких как альдегиды и летучие соединения, снижено на 80–90 процентов, количество ядовитых металлов (ртути и кадмия) — на 99 процентов, а ПАУ и монооксида углерода — на 90 процентов. Специфичные для табака токсиканты, образующиеся в основном во время сушки листьев, присутствуют в аэрозоле СНТ, но в гораздо меньших концентрациях. Однако независимые исследования до сих пор не охватывают весь спектр веществ, способных нанести вред здоровью, и проводятся на отдельных системах нагревания табака и электронных сигаретах.

Будущее без огня

Огонь прочно закрепился в обиходе человека как эффективный и удобный инструмент, но его достоинства меркнут на фоне проблем, одной из причин которых он является. Речь идет не только об ухудшении состояния атмосферы, выделении вредных для здоровья человека продуктов горения, но также о разливах нефти при транспортировке, сокращении запасов ископаемого топлива и загрязнении водоемов, которое происходит в ходе добычи природного газа.

Процесс отказа от горения начался, но завершится нескоро. Во-первых, насколько действительно эффективны и безопасны замены этого процесса — вопрос, который нужно изучать. Это касается и экологии, и здоровья конкретного человека: альтернативные источники энергии могут способствовать изменениям окружающей среды, тогда как для окончательного вердикта в сторону СНТ требуется больше независимых исследований. Во-вторых, мы до сих пор зависим от горения: на ископаемых источниках энергии держится 80 процентов мировой экономики.

Тем не менее человечество прикладывает значительные усилия для перехода на альтернативные источники энергии. Так, в 2020 году возобновляемые источники обеспечивали 20 процентов производства энергии в США. Электромобили постепенно заполняют автопарк общественного транспорта: в России они работают в постоянном режиме в Москве и Нижнем Новгороде. Еврокомиссия предполагает, что к 2035 году страны ЕС целиком откажутся от автомобилей с двигателями на традиционном топливе в пользу электрокаров.

Кроме того, уже сегодня каждый из нас может сократить собственный углеродный след, если приготовит ужин в пароварке, а не на сковороде. Не совсем то, чему учили древние гоминиды, зато не так вредно.