Если бы растения и некоторые бактерии не обладали способностью к фотосинтезу, жизнь других живых существ на нашей планете была бы невозможна. Это единственные организмы, которые, используя энергию солнечного света, могут синтезировать органические соединения из неорганических веществ и воды. Фотосинтез растений служит также источником кислорода. И даже основные используемые энергоресурсы (уголь, нефть) имеют фотосинтетическое происхождение.

Почти как у матушки-природы

«Фотосинтез куда эффективнее любых современных способов выработки энергии, – говорит заведующий лабораторией управляемого фотобиосинтеза Института физиологии растений РАН Сулейман Аллахвердиев. – При светозависимой стадии фотосинтеза коэффициент преобразования света равен 95%, в то время как в солнечных батареях этот показатель всего 15%, квантовый выход превращения поглощённого фотона солнечной энергии в энергию разделённых зарядов при фотосинтезе составляет 100%».

Искусственно воспроизвести фотосинтез или, по крайней мере, отдельные его этапы – задача более чем амбициозная. Её решение могло бы снять множество энергетических проблем будущего. Исследователи уверены, что открытие подобного рода позволит получать водород или напрямую преобразовывать энергию солнечного света в электрическую. Возможно, с помощью воссоздания природного процесса удастся синтезировать органическое топливо. Посмотрим, каких результатов удалось достичь учёным на сегодняшний день.

В нашей стране проблемами искусственного фотосинтеза занимаются с 1960-х годов. Сегодня над задачей работают исследовательские группы России, Японии, США, Швейцарии, Великобритании, Италии, Израиля, Австралии, Китая и других стран.

В поисках стабильности

За пределами исследовательских лабораторий никого не интересует устройство, пусть даже обладающее высоким КПД, но способное проработать всего несколько часов.

По мнению заведующего лабораторией биохимии хлоропластов Института биохимии им. А.Н. Баха Навасарда Карапетяна, искусственный фотосинтез может помочь решению энергетической проблемы. «При этом важна не только высокая активность, но и высокая фотостабильность искусственных систем, способных к преобразованию световой энергии в химическую или электрическую. Эти системы, представляющие собой агрегаты хлорофиллов, каротинов и кофакторов переноса электрона, должны быть фотостабильны. Ведь стабильность фотосинтетического аппарата растений и цианобактерий важна для устойчивости системы к разрушающему действию интенсивного света. Возможность использования искусственных систем в течение длительного времени должна быть учтена при создании этих систем».

Проблемы фотостабильности ещё раз подчёркивают, с какой тонкой материей приходится иметь дело тем, кто ищет путь выработки энергии через фотосинтез. Если традиционные солнечные батареи нуждаются в максимуме солнечного излучения, то для фотосинтетических систем, напротив, он губителен.

«Эффективность фотосинтеза максимальна при низкой интенсивности света, когда энергия поглощённых хлорофиллами квантов света практически полностью используется при фотосинтезе. Интенсивный свет – основной стресс, ведущий к уменьшению активности фотосистем», – поясняет Карапетян.

Светозависимая стадия: синтез водорода

Учёные из НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского МГУ (группа Алексея Семёнова), Института биохимии им. А.Н. Баха РАН (Виталий Никандров) и Института химической физики им Н.Н. Семёнова РАН (Виктор Надточенко) разрабатывают устройство, использующее солнечный свет для получения водорода и кислорода из воды, на основе фотосинтетических пигмент-белковых комплексов, ферментов, наночастиц полупроводников и металлов.

В настоящее время создан один из главных компонентов такого устройства – фотопреобразователь солнечной энергии нового типа, позволяющий получать водород под действием видимого света. Производство таких устройств может быть высокоэкологичным и низкозатратным, так как основные компоненты выделяются из возобновляемых источников: растений, водорослей, бактерий.

«Искусственный лист»

Технологический университет Массачусетса (США) создал уже не один прототип устройств, отчасти воспроизводящих фотосинтез. Так, в 2011 году появился «искусственный лист» Дэниэла Носеры. Он представляет собой кремниевую пластину (от этого дорогостоящего материала уйти, увы, не удалось), покрытую с одной стороны катализатором для ускорения разложения воды (фосфатно-кобальтовой смесью), а с другой стороны сплавом, преобразующим получаемые ионы в водород. «Искусственный лист», помещённый в стакан с водой и оставленный на солнце, выделяет не только водород, как многие появлявшиеся ранее прототипы, но и кислород.

Дэниэл Носера полагает, что в перспективе технологии, подобные «искусственному листу», помогут решить проблемы обеспечения доступной электроэнергией жителей беднейших стран, не имеющих ЛЭП и дешёвой нефти.

Светозависимая стадия: прямое преобразование

Несколько научных групп пытаются использовать искусственные элементы фотосинтеза не с целью получения водорода, а как своего рода солнечную батарею, выдающую напрямую электричество. Так, Микаэль Гретцель из Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) создал батарею из двух токопроводящих пластин, между которыми расположен пористый слой диоксида титана, содержащий электролит с красителем.

Под воздействием квантов света в красителе возбуждаются электроны, они транспортируются через слой диоксида титана и попадают на второй электрод. Краситель восстанавливается за счёт ионов из электролита. В результате получается постоянное перемещение электронов от одной пластины к другой, а во внешнем проводнике, соединённом с батареей, генерируется электрический ток. Пока удалось достичь преобразования энергии солнца с эффективностью 11%, и достигнутая мощность «батареи Гретцеля» ниже, чем у традиционной солнечной батареи. Однако она проста и дешева в изготовлении.

«Больших успехов добилась компания G24 Innovations (Уэльс), которая предложила фотоэлектрохимический элемент, состоящий из двух проводящих подложек, – считает заведующий лабораторией фотобионики ИХФ РАН Геннадий Комиссаров. – Одна из них содержит диоксид титана с нанесённым на него слоем органического красителя, который контактирует с йодсодержащим электролитом. КПД этого устройства достигает рекордных 26%. Такие величины позволяют надеяться на скорое использование подобных разработок в практических целях. Однако необходимы дальнейшие исследования, направленные на выяснение стабильности и долговечности предложенных устройств».

Исследователи из Сиднейского университета, работающие под руководством Макса Кроссли, в 2006 году сообщили, что им удалось получить искусственный аналог хлорофилла, способный улавливать кванты света. Однако молекулы получалось синтезировать лишь в единичных экземплярах. Учёные планируют решить эту проблему и создать что-то вроде специальной краски – массы, удерживающей молекулы искусственного хлорофилла вместе и при этом пропускающей свет через несколько слоёв. Предполагается, что в будущем такая «краска», нанесённая на крышу, позволит обеспечить энергетические потребности дома, создавая более эффективную и экологически чистую альтернативу кремниевым солнечным батареям.

На кафедре биофизики биологического факультета МГУ им. Ломоносова в лаборатории профессора Владимира Пащенко в 2012 году был создан фотопреобразователь солнечной энергии на основе реакционного центра пурпурных бактерий. Для увеличения эффективности поглощения света реакционные центры были объединены в гибридные комплексы с полупроводниковыми нанокристаллами – квантовыми точками. Затем эти гибридные комплексы наносились на мезопористую подложку из диоксида титана толщиной в десятки микрон. В результате получилось устройство, способное поглощать 50–70% падающей световой энергии в УФИК-диапазоне и затем преобразовывать этот свет в электрический ток с КПД порядка 6,6%.

Сравнивая описанные выше подходы, можно отметить: минус прямого преобразования в том, что полученную энергию надо использовать сразу, так как механизмов для её запасания не предусмотрено. С другой стороны, технологии, ориентированные на выработку водорода, требуют создания топливной ячейки, двигателя или другого механизма для его последующего использования.

Альтернативный взгляд

В 1995 году в лаборатории фотобионики ИХФ РАН была предложена альтернативная концепция фотосинтеза. В отличие от общепринятых в научном сообществе представлений, она предполагает, что источником выделяющегося кислорода служит не вода, а пероксид водорода (Н2О2) экзо- и эндогенного происхождения. При этом тепловая энергия – не побочный продукт фотосинтеза, а необходимый участник процесса.

«В 1969 году в Институте химической физики АН СССР была построена фотовольтаическая батарея – функциональная модель хлоропласта, – рассказал Геннадий Комиссаров. – Функцию хлоропласта (выделение из воды кислорода под действием солнечного света) впервые удалось воспроизвести на целиком абиогенной системе, составленной из слоёв аналога хлорофилла – фталоцианина, нанесённого на платиновые электроды.

Величина светового потенциала батареи из четырёх элементов достигала 2,4 В, что вполне достаточно для электролиза воды с выделением кислорода, величина токов – 5,9·10-5 А. Квантовый выход фототока в первоначальном варианте батареи был невелик (сотые доли процента). Изучение механизма генерации тока в батарее позволило нам увеличить квантовый выход сначала до нескольких процентов, а в работе 2008 года, где было использовано импульсное освещение, он достигал 50%. Выполненные оценки показали, что КПД преобразования световой энергии в электрическую был около 6%».

Темновая стадия: синтез органики

Запасы углеводородов рано или поздно закончатся. Возможно ли искусственно синтезировать органическое топливо из неорганических веществ? Многие учёные уверены, что да.

В этом подходе речь идёт уже не о генерации электроэнергии, а о её запасании в удобной форме – в виде жидкого топлива. Поскольку воспроизвести все стадии природного фотосинтеза науке пока сложно, для синтеза органики используют не энергию, выработанную в хлоропластах (естественных или искусственных), а электричество, полученное с помощью солнечных батарей. Подобную разработку предложили в прошлом году в Калифорнийском университете (США).

С помощью прототипа удалось под воздействием электричества преобразовать углекислый газ в изобутанол. Главные действующие «лица» процесса – синтезированные с помощью генной инженерии литоавтотрофные микроорганизмы Ralstonia eutropha H16. Для переноса энергии вместо водорода используется муравьиная кислота, полученная электрохимическим путём.

Как поясняют авторы, удельная плотность энергии, запасённая в изобутаноле, значительно выше, чем в обычном литий-ионном аккумуляторе. Изобутанол может быть альтернативным топливом для автомобиля, по сути дела превращая его в электромобиль.

Есть и другие похожие разработки. Ричард Когделл и его коллеги из Университета Глазго (Великобритания) считают, что в будущем разрабатываемая ими технология «искусственного листа» позволит создавать углеводородное топливо с помощью фотосинтезирующих бактерий. Такое топливо может стать удобной формой запасания электричества, вырабатываемого возобновляемыми источниками энергии. Учёные рассчитывают, что технология найдёт широкое применение в ближайшие 30 лет. Проект получил государственное финансирование.

Данной темой сегодня интересуются не только учёные, но и коммерческие компании. Так, корпорация Panasonic (Япония) пытается имитировать фотосинтез с целью получения автомобильного топлива, и к 2015 году здесь планируют синтезировать этанол.

Живые растения как источник энергии

Ряд исследователей предполагают, что возможно, не углубляясь в разгадку тайн фотосинтеза и не пытаясь его повторить, пользоваться той энергией, которую вырабатывают живые растения.

В 2010 году Виктория Флексе и Николя Мано из Научно-исследовательского центра им. Поля Паскаля (Франция) разработали биотопливный элемент, который вживляется внутрь кактуса и работает, пока живёт растение. Причём на свету процесс выработки становился интенсивнее, чем в темноте.

В том же году исследователи из Университета Стэнфорда (США) продемонстрировали принципиальную возможность получать электроны, высвобождающиеся в живом растении в ходе фотосинтеза, внедряя в живую клетку ультраострые золотые наноэлектроды. Но сила «снятого» тока составила всего около 1 пА (10–12 А) с клетки.

Также в Стэнфордском университете Майком Томпсоном была представлена «волшебная» лампа Latro. Устройство представляет собой светильник и сосуд, содержащий морские зелёные водоросли в воде. Человек дышит в отверстие сосуда, поставляя углекислый газ, необходимый для фотосинтеза, на свету процесс запускается, и лампа загорается. Правда, как энергия фотосинтеза поступает к лампе, остаётся непонятным, равно как и то, что мешает водорослям фотосинтезировать без человеческого дыхания (ведь в атмосферном воздухе уже содержится углекислый газ).

В 2011 году Кембриджский университет (Великобритания) и дизайнеры студии Object&Line представили стол Moss с растущими на нём мхом и водорослями, обеспечивающий питание бытовых электроприборов с малым потреблением.