Фотосинтез является одним из самых важных процессов на Земле, чью исключительность признают все – от биологов до энергетиков. Как известно, почти всей энергией, которую мы используем, мы обязаны Солнцу. Нефть, газ и уголь появились благодаря способности организмов захватывать солнечную энергию и использовать ее для создания органических молекул путем фотосинтеза.

Фотосинтез позволяет растениям превращать энергию Солнца в топливо. Однако запасы ископаемых углеводородов рано или поздно закончатся, а технологии коммерческого производства водорода на базе фотосинтеза все еще требуют существенной доработки.

И тут на сцену выходит искусственный фотосинтез, который может произвести настоящую революцию в сфере возобновляемых источников энергии. Он позволяет расщепить солнечным светом воду с получением водорода и кислорода, которые образуют эффективное и экологически чистое топливо. Надо «всего лишь» не довести естественный процесс до конца, остановившись на первой стадии разделения молекулы воды на атомы кислорода и водорода под воздействием света и с помощью катализаторов.

Пока искусственный фотосинтез остается экспериментальным проектом, который требует серьезных научных исследований и анализа практического применения. Впервые искусственный метод фотосинтеза был смоделирован специально для производства возобновляемой энергии лишь несколько лет назад.

Полностью искусственный фотосинтез является сложным процессом, который требует использования дорогих и токсичных катализаторов. Однако ученые стремятся к применению более доступных материалов или некому «комбинированному» фотосинтезу, при котором применяются ферменты природного происхождения. В частности, в Кембридже использовали фермент гидрогеназа – фермент водорослей, который в сочетании с синтетическими пигментами заставляет солнечный свет расщеплять воду на водород и кислород.

Искусственный фотосинтез может одновременно решить две проблемы – преобразовывать углекислый газ из атмосферы, то есть бороться с глобальным потеплением, а также получать из воды водород, а затем использовать его как топливо.

В отличие от большинства методов получения альтернативной энергии искусственный фотосинтез может дать несколько видов топлива. Жидкий водород можно использовать как моторное топливо для транспорта и направлять в систему топливных элементов для выработки электричества путем химической реакции объединения водорода и кислорода в воду. Кроме того, можно получать метанол: фотоэлектрохимический элемент может генерировать метанольное топливо. Метанол добавляют в бензин или используют отдельно для автотранспорта и небольших котельных.

Способность производить чистое топливо без образования каких-либо вредных побочных продуктов, делает искусственный фотосинтез идеальным источником энергии для окружающей среды. Он не требует добычи, выращивания или бурения и может быть безграничным источником энергии.

Леса – легкие планеты – вырубаются по всему миру, и ученые бьются над поисками замены источников кислорода, необходимого человечеству. У естественного фотосинтеза достаточно низкая эффективность: растениям он необходим, чтобы расти и развиваться, а не заботится о климате. Поэтому естественный фотосинтез обеспечивает получение лишь 1-2% от того объема энергии, который мог бы потенциально преобразовать.

Листья с помощью энергии солнца перерабатывают двуокись углерода, которая в реакции с водой и формирует биомассу растения, а углекислый газ и вода превращаются в глюкозу и кислород.

Между тем, английские ученые разработали синтетические листы, способные выполнять функции фотосинтеза. Листы используют хлоропласты из обычных растений, помещенные в белковую среду. Эти «листья» позволяют получить кислород в городских условиях.

Несколько лет назад имперский колледж Лондона объявил о создании первого проекта со стартапом Arborea по выращиванию искусственных «листьев» – BioSolar Leaf. В рамках проекта создаются структуры для зданий или открытого пространства, похожие на солнечные панели, в которых размещаются микроскопические растения. Растения в процессе естественного фотосинтеза поглощают свет и углекислый газ и очищают воздух от парниковых газов. Площадь этих структур равна площади одного дерева, при этом они удаляют столько же двуокиси углерода, сколько 100 деревьев. Панели можно устанавливать прямо на поверхности домов.

Ученые Кембриджского университета создали прототип так называемых «фотолистов», работающих за счет искусственного фотосинтеза. Устройство использует CO2, воду и солнечный свет для производства кислорода и муравьиной кислоты, которая может быть использована напрямую или преобразована в водород.

Взаимодействие и окисление в «фотолисте» происходят, когда солнечный свет попадает на лист в воде, при этом катализатор создан на основе кобальта. Лист полностью автономный и практически не производит никаких побочных продуктов. Размер прототипа – всего 20 квадратных сантиметров, однако изобретатели готовы масштабировать его и уверяют, что смогут обойтись при этом без огромных затрат. Листы можно производить примерно в тех же масштабах, в которых сейчас выпускаются солнечные панели.

Ученые из Национальной лаборатории в Беркли в США разработали систему искусственного фотосинтеза из наноразмерных трубок для получения топлива. «Солнечная топливная плитка» содержит миллиарды наноразмерных трубок, каждая из которых изнутри содержит слой из оксида кобальта, средний слой из диоксида кремния и внешний слой из диоксида титана. Энергия солнечного света расщепляет молекулы воды, образуя свободные протоны и кислород. Протоны объединяются с диоксидом углерода и образуют монооксид углерода, то есть топливо. При этом система имитирует живые фотосинтетические клетки внутри хлоропласта.

Профессор энергетики и химии Калифорнийского университета в Беркли Ян Пэйдун получил ежегодную премию «Глобальная энергия» за изобретение солнечных элементов на основе наночастиц и искусственного фотосинтеза. Созданная учеными технология позволяет получать кислород и органические соединения из солнечного света, углекислого газа и воды.

Устройство представляет собой гибридную систему – «лес» из нанопроволоки на основе кремния и бактерий, который улавливает солнечные фотоны, расщепляет молекулы углекислого газа и производит питательные вещества. Бактерии могут размножаться, что позволяет решить проблему обеспечения покорителей планет в будущем. Так как атмосфера, например, Марса, почти полностью состоит из углекислого газа, в первую очередь такой биогенератор был бы необходим для освоения «красной планеты», однако устройство будет полезно и на Земле, уверен Пэйдун. Устройство позволило бы обеспечить людей не только кислородом, но и топливом.

НАСА планирует представить прототипы таких устройств, которые смогут вырабатывать 40 Квт, к 2023 году для обеспечения энергией человека в космосе.

Если энергия, произведенная солнечными панелями, должна где-то храниться, то искусственный фотосинтез решает эту проблему, преобразуя солнечную энергию в химическую и сохраняя ее в химических связях.

Несомненно, технологии искусственного фотосинтеза имеют огромное значение для повышения энергобезопасности любых стран.

Например, одна из альтернатив естественному фотосинтезу – специальный «брезент» с солнечными элементами, который можно развернуть где угодно, а затем, после поглощения им воды и света, поместить в резервуар с катализаторами для преобразования CO2 в химическое топливо, которое можно хранить или использовать немедленно.

В атмосфере концентрация свободного кислорода составляет 20,95%, а углекислого газа – 0,04%. Это соотношение поддерживается жизненными циклами представителей флоры и фауны. Но количество растений на нашей планете стремительно уменьшается, а объемы выбросов углекислого газа растут. Поэтому уже сейчас ученые озаботились разработкой технологий, которые бы могли обеспечить людей и животных пригодным для дыхания воздухом в будущем.

Основную роль в процессе фотосинтеза играет свет. Из солнечного излучения, доходящего до Земли, лишь половина имеет длину волны, с которой может "работать" хлорофилл. Причем максимумы поглощения находятся в синей (около 400 нанометров) и красной (около 700 нанометров) областях спектра.

Из подходящего диапазона солнечного излучения большая часть теряется в процессе поглощения и внутренних реакций. В среднем для фотосинтеза растениями используется лишь 1-2% от всего поступающего на Землю солнечного света.

Чтобы воссоздать фотосинтез в искусственных условиях, необходимо повторить два ключевых этапа: сбор солнечной энергии и расщепление молекул воды. Кстати, искусственный фотосинтез возможно использовать для производства как кислорода, так и водорода. Во втором случае человечество будет надежно обеспечено экологичным, эффективным и недорогим топливом.

Пока исследования искусственного фотосинтеза находятся на стадии лабораторных разработок. Полупроводники и живые бактерии помещают в фотосинтетическую биогибридную систему (искусственный лист), на которую воздействуют солнечным светом. Полупроводники собирают его энергию, генерируя электроны, необходимые для того, чтобы состоялась реакция в растворе воды и углекислого газа. Бактерия использует электроны для преобразования молекулы углекислого газа, тем самым способствуя образованию водорода (H2), метана (CH4), этанола (C2H5OH). А вода в это же время окисляется на поверхности другого полупроводника, в процессе чего выделяется кислород.

Но расщепить молекулу воды не так просто, это требует около двух с половиной электронвольт энергии. Следовательно, нужен катализатор, который "подтолкнет" химическую реакцию.

Некоторые исследователи, занимающиеся искусственным фотосинтезом, имитируют естественный процесс без привлечения живых организмов. По большому счету эти разработки сводятся к созданию принципиально нового катализатора, так как существующие (основанные на магнии, титане, кобальте, рутении) довольно токсичны и имеют низкий коэффициент полезного действия.

Есть разработки по искусственному фотосинтезу, в которых используются живые организмы (пока только бактерии и отдельно взятые клетки). Подобные исследования основаны на получении информации о фотосинтезе с помощью цианобактерий. Сначала им в геном вставляется последовательность нуклеотидов, содержащая инструкции по синтезу белковых меток. Далее живые организмы извлекаются вместе с метками и проводится исследование полученной фотосистемы (бактерий, которые перерабатывают белки). Ученые утверждают, что данная информация поможет создать искусственные аналоги фотосинтеза.

Зеленая энергетика не сходит с веб-страниц и из всевозможных заголовков. «Зеленый» уже давно понимается как «экологически благоприятный», но здесь напрашивается две важные оговорки:
1. Далеко не все методы «зеленой энергетики» так уж безвредны для окружающей среды. Например, ячейки солнечных панелей и лопасти ветряков необходимо утилизировать уже через пару десятков лет эксплуатации.
2. По-настоящему зеленую энергетику могли бы обеспечить зеленые растения, которые и являются первичными накопителями солнечной энергии.

Как ни странно, мы до сих пор не умеем в промышленных масштабах воспроизводить фотосинтез. Фотосинтез является одним из основных процессов в жизнедеятельности зеленых растений. При фотосинтезе углекислый газ и вода расщепляются в листьях, вернее, в хлоропластах – клеточных органеллах, содержащих зеленый пигмент хлорофилл. По строению хлорофилл близок к гему – небелковой части гемоглобина.

Хлорофилл решает две задачи, особенно важные для современной экологии: расщепляет углекислый газ, помогая таким образом купировать глобальное потепление и позволяет получать водород, являющийся одним из наиболее экологически чистых видов топлива.

Естественный фотосинтез, будучи продуктом биологической эволюции, не отличается эффективностью. Его КПД составляет всего 1-2%, чего вполне хватает для поддержки медленного жизненного цикла растений. Атом магния, хорошо заметный в вышеприведенной формуле, играет роль катализатора. Но растения используют в таком качестве магний, так как биологическая эволюция использует в основном легкие металлы, один из них – магний (12-й элемент).

Оптимизируя фотосинтез, нам следовало бы изобрести искусственные листья, а также повысить эффективность самого процесса. Для этого нужно было бы заменить магний другими катализаторами – металлами, способными его заменить, а значит, схожими с магнием в соответствии с периодическим законом.

Кроме того, нам нужно было бы создать искусственные листья и искусственные хлоропласты, которые улавливали бы солнечный свет лучше естественных, а также производили бы именно энергию, а не белки и углеводы, необходимые для жизнедеятельности растений. Наконец, особенно интересно было бы использовать солнечный свет для получения более сложной органики, нежели растительных углеводов. Давайте об этом поговорим.

Высшие растения, бактерии и водоросли преобразуют солнечную энергию в углеводы и углеводороды. Но растения не подходят для крупномасштабного производства топлива на основе солнечной энергии, так как задействуют сложную цепочку биохимических реакций, позволяющих преобразовать CO2 в конечный продукт. КПД растений слишком низок, чтобы они могли играть роль серьезного энергетического ресурса. Эффективность растений обычно зависит не только от освещенности, но и от других экологических факторов, в том числе, от доступности CO2, воды и питательных веществ.

Фотосинтез протекает в четыре этапа:
Сбор света. На данном этапе происходит поглощение и накопление электромагнитного излучения антенными молекулами (прежде всего хлорофиллом, но также и каротином). Эти молекулы сосредоточены в виде белковых комплексов или органелл и служат для концентрации захваченной энергии в «реакционных центрах».
Разделение зарядов. В реакционном центре (так называемой фотосистеме – II) происходит разделение зарядов: молекула хлорофилла испускает электрон (отрицательно заряженную частицу), на месте электрона остается положительно заряженная «дырка». Таким образом, энергия солнечного света применяется для разграничения положительных и отрицательных зарядов.
Расщепление воды. На третьем этапе собирается множество положительных зарядов, которые идут на расщепление молекул воды: получаются ионы водорода и кислород. Расщепление воды происходит в отдельном отсеке клетки, а не там, где проходит этап разделения зарядов; на достаточном удалении, чтобы предотвратить потерю заряда при поступлении нового фотона, но достаточно близко, чтобы положительный заряд эффективно накапливался и затем использовался для катализа.
Синтез топлива. Электроны, полученные при разделении зарядов, подхватываются цитохромом b6f и маленькими мобильными переносчиками и транспортируются в еще один белковый комплекс, фотосистему I. В фотосистему I поступает дополнительная энергия, которую также приносят солнечные фотоны, и с ними также идет химическая реакция, в результате которой получаются углеводороды.

Итак, для организации и последующей оптимизации фотосинтеза нам нужно превратить двухступенчатую реакцию в одноступенчатую, а также избавиться от выращивания листьев.

Процесс искусственного фотосинтеза in vitro, без участия листьев, был впервые осуществлен в 1972 году в Токийском университете. Кеничи Хонда и его аспирант Акира Фудзисима сообщили о том, что смогли смоделировать фотосинтез, подавая свет на электрод из диоксида титана, погруженный в воду. Электроны под действием света покидали металл, оставляя на своем месте положительно заряженные дырки, куда затем захватывались электроны из окружающей воды. Хонда и Фудзисима продемонстрировали, что таким образом получение кислорода катализировалось на фотоаноде, а свободный водород скапливался на платиновом катоде. Так впервые удалось разложить воду на составляющие при помощи светочувствительного элемента.

В 1998 году Джон Тёрнер и Оскар Хаселев из Национальной лаборатории возобновляемой энергетики из штата Колорадо разработали первый «искусственный лист»: интегрированное фотоэлектрическое устройство, позволяющее расщеплять воду, получая на вход в качестве энергии свет и ничего более. В результате КПД при производстве водорода достиг целых 12,4%, но материалы для поддержки реакции оказались очень дорогими: в состав устройства входил полупроводник на основе галлий-индиевого фосфида, а также платина в качестве катализатора.

Далее предпринимались усилия по удешевлению такого фотоэлектрического элемента, и в 2011 году группа Дэвида Носеры из Массачусетского технологического института представила беспроводное устройство для расщепления воды, в котором электроды изготавливались с применением сравнительно дешевых индия и олова, а вода была буферизована ионами кобальта.

Впрочем, неорганические фотосинтезирующие устройства вряд ли способны конкурировать с традиционными солнечными батареями в качестве источника энергии, а сами быстро выходят из строя по причине коррозии, связанной с резким увеличением уровня pH, возникающем при их работе. Неорганические фотосинтезирующие элементы в целом близки к пределу производительности. Устройство, разработанное в 2018 году специалистами из технического университета Ильменау и Калифорнийского технологического института, работает на основе диоксида титана. В нем предусмотрена дополнительная защита от коррозии, оно работает на протяжении 20 часов и достигает КПД 19%.

Вместо неорганических полупроводниковых сборок также пытаются синтезировать органические молекулы, для которых характерна высокая стабильность при нахождении в растворе. Кроме того, конфигурацию органической молекулы удобно целенаправленно корректировать, чтобы она улавливала свет как можно лучше. Но чисто органические молекулы такого рода плохо переносят воздействие солнечного света и быстро распадаются под воздействием лучей. По-видимому, наиболее перспективный подход – встраивать молекулу хлорофилла в неорганическую катализирующую оправку.

За катализ биохимических процессов в клетке отвечают разнообразные ферменты. Некоторые жизненно важные реакции без участия ферментов попросту не идут. Одним из древнейших, важнейших и при этом наиболее громоздких ферментов является рибулозобисфосфаткарбоксилаза, сокращенно – рубиско.

Вот такая монструозная молекула направляет реакцию фотосинтеза – делая это исправно, но очень медленно. Кстати, сам рубиско использует в качестве катализатора тот самый атом магния, что входит в состав молекулы хлорофилла, показанной выше. Каждая молекула рубиско успевает обработать 1-3 молекулы углекислого газа в секунду, что, конечно же, очень медленно. Более того, рубиско потребляет на собственную работу и часть кислорода, образующегося в результате фотосинтеза, что приводит к фотодыханию.

В целом рубиско пока почти не поддается генной инженерии. Дело в том, что хлоропласты когда-то сами были простейшими, а около 3,5 миллиардов лет назад были захвачены клетками цианобактерий, где превратились сначала в симбионтов, затем в паразитов, а еще позже в обычные органеллы. Но у хлоропластов есть остаток собственного генома, и работа рубиско кодируется как генами растения, так и генами хлоропластов. Растения повышают эффективность фотосинтеза, попросту до отказа набивая свои хлоропласты рубиско.

Недавно китайским ученым удалось навязать растениям более эффективный подход. В одноклеточную водоросль хлореллу внедрили специальный полимер, который активизирует в хлоропластах захват фотонов. Когда рубиско получает больше фотонов, как эффективность, так и скорость его работы улучшается примерно в полтора раза, но и это весьма скромный успех. Вполне возможно, что эти опыты попросту предвосхищают биологическую эволюцию: есть данные, что из-за повышения содержания CO2 в атмосфере фотосинтез у растений начинает идти быстрее.

Очевидный недостаток фотосинтеза заключается в том, что хлоропласты извлекают энергию лишь из сравнительно узкой (зеленой) части спектра.

Упоминавшийся выше диоксид титана также поглощает фотоны именно в «зеленой» части спектра. Но фотосинтезирующие свойства фотоэлектрического элемента можно улучшить, задействовав в нем другие материалы, в частности, кремний, улавливающий свет в области спектра примерно до 1100 нм. Для максимально полного использования спектра ведутся эксперименты по включению в фотоэлектрические элементы других металлосодержащих соединений: оксида цинка ZnO, оксида железа Fe2O3, висмут-ванадиевого соединения с кислородом BiVO4, нитрида тантала Ta3N5 и некоторых других.

Из вышеизложенного напрашиваются следующие выводы. В настоящее время фотоэлектрические элементы, действующие в водяной среде, работоспособны, но явно несовершенны. Масштабное производство ячеек для искусственного фотосинтеза, которые могли бы послужить конкурентоспособным источником возобновляемой энергии – в лучшем случае дело будущего. Но искусственный фотосинтез все-таки вполне эффективен в качестве инструмента для связывания атмосферного углерода, и при этом дает стабильный поток заряженных частиц (протонов и электронов).

Таким образом, фотосинтезирующие элементы можно было бы сочетать с солнечными батареями – например, уже сегодня устанавливаемыми на крышах частных домов в США. Солнечная батарея могла бы отдавать часть получаемой энергии на электролиз. В таком случае подключенные к ней фотоэлектрические элементы участвовали бы в связывании углекислого газа и расщеплении воды с получением водорода, который, в свою очередь, является экологически чистым топливом.

Развитие катализаторов для таких процессов позволило бы не ограничиваться воспроизведением обычного фотосинтеза, а синтезировать, например, белки или ферменты. Мы уже научились масштабировать солнечные батареи, поэтому могли бы вместе с ними масштабировать и фотоэлектрические элементы. Наконец, подобные технологии могли бы поспособствовать разложению токсичных отходов или пластика, давая на выходе водород и энергию.

Изложенные возможности являются во многом гипотетическими, но вполне реализуемыми, так как основаны на модели, отточенной в зеленых растениях более чем за миллиард лет. Нам они представляются значительно более интересными, чем луддистские по сути и практически невыполнимые призывы «снизить количество парниковых выбросов», «отказаться от авиаперелетов» или «застроить прибрежные области ветрофермами». Избыток углекислого газа должен превратиться из проблемы в ресурс, а переход на водородную энергетику стать максимально безболезненным. Возможно, ключ ко всем этим решениям – в освоении и доработке искусственного фотосинтеза.

С точки зрения человека, процесс фотосинтеза неэффективен: большинство сельскохозяйственных культур способны преобразовывать солнечную энергию в биомассу с эффективностью не более процента. Американские исследователи нашли способ обойтись вообще без биологического фотосинтеза и разработали систему для производства продуктов питания, не использующую (по крайней мере, напрямую) солнечный свет. В перспективе технология позволит производить продовольствие во время длительных космических миссий, например на Луну или Марс.

Фотосинтез наземных растений эволюционировал на протяжении миллионов лет, превращая воду, углекислый газ и энергию солнечного света в растительную биомассу, которую люди и животные потребляют в пищу. С ростом населения Земли увеличивается и спрос на продовольствие, производство которого в итоге ограничивается эффективностью преобразования энергии в процессе фотосинтеза. Поскольку эта величина в большинстве сельскохозяйственных культур не превосходит 1%, для их выращивания требуются обширные земельные участки, чтобы улавливать достаточное количество солнечной энергии и производить требуемое количество биомассы.

Усилия ученых в области селекции и генной инженерии, направленные на повышение эффективности фотосинтеза растений, дают лишь незначительные преимущества для ограниченного числа сельскохозяйственных культур. Исследователи из Калифорнийского и Делаверского университетов (США) решили пойти другим путем и разработали гибридную электрохимико-биологическую систему для производства продуктов питания на основе процесса искусственного фотосинтеза. Статья с подробным описанием разработки опубликована в журнале Nature Food.

В системе используется двустадийный электрохимический процесс, превращающий углекислый газ и воду в кислород и ацетат (из-за чего его и называют искусственным фотосинтезом). Ацетат может служить источником углерода и энергии для различного рода водорослей, дрожжей, грибов и высших растений. Причем конструкция электролизера – устройства, преобразующего углекислый газ в ацетат с использованием электричества – была оптимизирована авторами работы так, что позволила получить наибольший выход продукта на сегодня.

Сочетание разработанной системы фиксации углерода с солнечными панелями для получения электричества предлагает альтернативный, более энергоэффективный подход к производству продуктов питания. Так, эффективность производства биомассы микроорганизмов (зеленых водорослей) при культивировании в темноте на богатой ацетатом воде, прошедшей через электролизер, была в четыре раза выше в сравнении с обычным культивированием с доступом к солнечному свету. В то же время производство дрожжей получилось в 18 раз более энергоэффективным, чем при обычном выращивании с использованием сахара, получаемого из кукурузы.

«Мы смогли вырастить организмы, производящие пищу, без какого-либо участия биологического фотосинтеза. Обычно эти организмы выращивают на сахаре, полученном из растений, или на сырье, полученном из нефти, которая тоже продукт биологического фотосинтеза, происходившего миллионы лет назад. Наша технология – более эффективный метод превращения солнечной энергии в пищу», – объяснил соавтор исследования Элизабет Ханн (Elizabeth Hann), докторант кафедры химической и экологической инженерии Калифорнийского университета в Риверсайде.

Кроме того, ученые обнаружили, что ряд сельскохозяйственных культур (например, салат, рис, томаты, перец, табак, зеленый горошек) тоже могут использовать ацетат, получаемый на установке, в качестве дополнительного источника энергии для повышения урожайности. Таким образом, освобождая сельское хозяйство от полной зависимости от солнечного освещения, искусственный фотосинтез позволит выращивать микроорганизмы и растения во все более сложных условиях, включая изменения климата, отсутствие пахотных земель, и даже в долгосрочных космических миссиях, в том числе на Марс.

Предложенный метод производства продуктов питания признали победителем первой фазы конкурса NASA Deep Space Food Challenge – международного соревнования по созданию новых и революционных пищевых технологий, требующих минимальных затрат и обеспечивающих максимально безопасные, питательные и вкусные продукты для длительных космических миссий.

С настоящим фотосинтезом общего у системы мало. В листьях растений идет процесс, при котором вода и углекислый газ под действием света и при ключевом участии сложной и громоздкой биохимии превращаются в глюкозу и кислород. Искусственный же фотосинтез, о котором идет речь в этом проекте, – это, если вкратце, восстановление CO2 до CO под действием света и металлических катализаторов с выделением кислорода. Хотя сам по себе угарный газ – опасная отрава, из него можно получить много полезных веществ, например спирт, метанол, этилен и муравьиную кислоту.

Одна из сложностей в искусственном фотосинтезе связана с источником углекислого газа. В том виде, в каком он содержится в воздухе, CO2 для реакций малопригоден. Его нужно подавать под давлением, чтобы затея имела смысл. Ученые из Университета Иллинойса предложили новый подход, в котором искусственно нагнетать углекислоту не нужно. Они решили использовать мембрану из анионообменной смолы, которая пропускает в одну сторону CO2, но в обмен на воду. Таким образом, если смочить мембрану, она будет подавать углекислый газ куда надо «самотеком» – например туда, где идет реакция по превращению CO2 в CO.

Ученые предложили поместить всю начинку с катализаторами, которая производит угарный газ, в капсулу размером 1,7×0,21,7×0,2 метра из четвертичной аммониевой смолы, заполненную водой. Условно такие приспособления можно назвать «листьями», которые действительно будут забирать из воздуха углекислый газ и отдавать кислород, вырабатывая при этом CO, нужный для синтеза полезных углеводородов.

Авторы статьи провели расчеты, использовав уже имеющиеся данные об эффективности работы мембран, пропускающих CO2 реакций его восстановления, синтеза продуктов и стоимости всех реагентов и материалов. Расчеты показали, что система из таких листьев общей площадью 122 квадратных метра сможет производить 0,4 тонны CO в сутки, по цене примерно $ 185 за тонну. КПД процесса ожидается примерно в 14%, что примерно в пять раз выше, чем эффективность настоящего фотосинтеза у растений. При этом вся установка сможет за сутки снижать концентрацию углекислого газа на 10% на территории в радиусе 100 метров.

Надо сказать, что идея искусственного фотосинтеза не новая. Ученые работали над этой технологией годами. Однако реализовать ее и добиться при этом желаемого результата не так просто.