На водород во всем мире возлагают большие надежды как на топливо будущего. Но чтобы от теоретических разработок перейти к его практическому использованию, нужно решить массу проблем. И самая главная – получение водорода.
«Водород – это вторичное топливо, — объясняет корреспонденту Infox.ru научный сотрудник химического факультета МГУ Олег Воронин. – Его нужно откуда-то получать. Можно использовать электролиз воды, но этот процесс сам требует большого количества энергии. Можно добывать водород путем бактериальной переработки различных органических соединений, но сильно загрязненный. Поскольку современная водородная энергетика требует очень чистого газа – 99,99999% чистоты, встает проблема очистки. И за счет этого изначально самый дешевый водород становится дорогим».
Бактерии делают водород из бумаги
Биотехнологическое получение водорода освоили ученые на кафедре микробиологии биологического факультета МГУ. Сначала они занялись поиском микроорганизмов, которые занимаются этим в природе. «В основном это бактерии клостридии, — рассказывает корреспонденту Infox.ru научный сотрудник Андрей Шестаков, руководитель группы. – Они живут в почве, в воде, в термальных источниках, где перерабатывают органику с выделением водорода. Обычно это целые микробные сообщества. Мы изучаем взаимные отношения членов этого сообщества, чтобы использовать их наиболее эффективно».
Из множества найденных в природе биологи выделили восемь микробных сообществ, которые они культивируют в лаборатории около года и стабильно получают от них водород. Сначала их выращивают в стеклянных флаконах с питательной средой в термостате при 60 градусах. Для создания анаэробных условий из флаконов надо полностью удалить кислород. С помощью специального устройства микробиологи сначала создают вакуум, а потом закачивают во флакон инертный газ – аргон.
Пища для бактерий – трудноперевариваемая целлюлоза. А проще говоря, обычная нарезанная фильтровальная бумага. За неделю бактерии «съедают» (перерабатывают) бумагу, превращая ее в гомогенную массу.
Более продвинутый метод культивирования – в биореакторе – ферментере. Это проточная и полностью автоматизированная система, контролирующая температуру, рН и другие параметры ферментации. Ученые загружают в нее целлюлозу, а на выходе получают жидкость с продуктами метаболизма и водород.
Чем фермент лучше платины
Для следующего этапа – получения из водорода электричества — ученым удалось решить вторую проблему водородной энергетики. Они научились использовать бактериальный водород без очистки. Для этого в топливном элементе нужно было заменить платиновые или палладиевые катализаторы на принципиально иные.
Во-первых, платиновые катализаторы дорогие. «Стоимость энергии, вырабатываемой традиционным топливным элементом, примерно 1000−1500 долларов за киловатт, — объясняет Олег Воронин. — Чтобы поехал автомобиль, нужно по крайней мере 50 киловатт, значит, только двигатель будет стоить 50−70 тысяч долларов». Во-вторых, платина очень быстро отравляется соединениями углерода или серы, и катализаторы требуют частой замены.
Альтернатива – биологические катализаторы или ферменты. Группа ферментов гидрогеназ в клетках живых организмов занимается окислением молекулярного водорода. Их активность очень велика. По словам Олега Воронина, молекула фермента работает в десятки тысяч раз эффективнее, чем молекула платины. Поскольку они функционируют в живой клетке, то способны в присутствии огромного числа примесей катализировать именно ту реакцию, которую нужно.
Для создания ферментного водородного электрода ученые иммобилизовали молекулы гидрогеназ на тканевую углеродную основу, причем в нужной позиции, чтобы увеличить площадь покрытия. Ферменты расщепляют молекулярный водород, освободившиеся электроны идут от анода к катоду. Электрический ток, полученный в одной ячейке, не слишком большой мощности – по крайней мере лампочка от него не загорится. Но в промышленных масштабах такая система найдет спрос, считают ученые.
Электричество из мусора
«Наша технология одновременно решает две задачи: утилизация отходов и получение энергии, — говорит Андрей Шестаков. – Что касается утилизации отходов, то только Москва ежегодно производит 19 миллионов тонн твердых отходов, 75% из них – это органика: пищевые отходы, бумага, ткани и т. п. Все способы утилизации на сегодня несовершенны: для полигонов не хватает места, а сжигание отравляет атмосферу».
По словам ученых, система биодеградации отходов с одновременным получением электричества уже сейчас будет экономически выгодна. Сегодня бактерии перерабатывают 20−40% целлюлозы, но специалисты надеются увеличить эту цифру до 50−60%. Они пытаются добиться, чтобы топливные ячейки работали 500−800 часов без замены фермента. А переработанную микробами биомассу, обогащенную полезными веществами, можно добавлять в корм сельскохозяйственным животным.
Технология должна быть востребована, считают ее авторы. «Предположим, у вас пищевое производство или бумажное производство, — говорит Олег Воронин. – И вы вместо того, чтобы платить за вывоз отходов, получаете электроэнергию, которая компенсирует ваши личные расходы».
Самое главное, источник для получения энергии – не ископаемые ресурсы, а возобновляемые бактерии и мусор, который тоже никогда не кончается. Фермент при промышленном производстве непременно подешевеет (как произошло с ферментами, применяемыми в стиральных порошках). Поэтому можно быть уверенным, что технология даст нам дешевое электричество.
