Газета Красный Север. Последние новости.Сайт издательства

Охота за светом

Иногда профессор химии Дэниел Носера приходит на набережную реки Чарльз и смотрит на противоположный берег, где высятся небоскребы Бостона. На этом берегу, за спиной у Носеры, «инкубаторы идей» американского Кембриджа - Гарвардский университет и Массачусетский технологический институт. А за рекой - штаб-квартиры крупных компаний. Тех самых, что хотят заработать на мечтах ученых, когда они воплотятся в жизнь.

«Они хотят все и сразу. Думают, что ученые возьмут и одним махом перепрыгнут через реку, - говорит Носера. - Но так быстро дела в науке не делаются». Профессор Носера просит бизнесменов потерпеть. Ведь речь идет о задаче глобального масштаба, успешное решение которой разом устранит все энергетические и экологические проблемы. Цель профессора и его команды - смоделировать фотосинтез, то есть превращение солнечного света в химическую энергию. Это «умеет» любое растение. Для человечества же воссоздание фотосинтеза будет эпохальным событием. «Но для этого нужно время. Чтобы перебраться через реку, надо сначала установить опоры для будущего моста, а потом и построить его», - философствует профессор Носера.

Что ни говори, а сама природа уже построила для человечества довольно длинный мост, потратив на уникальную разработку почти миллиард лет. Волшебный - иначе не скажешь - механизм по переработке солнечной энергии запущен давным-давно. Клетки растений поглощают энергию квантов света и накапливают ее в виде органических веществ по меньшей мере более 2,7 миллиарда лет. От этого универсального процесса, протекающего в зеленых листьях, зависит буквально все живое. Почти все, чем питаются люди и животные, появилось на свет благодаря фотосинтезу. Дал<е энергия, потребляемая человечеством, по большей части - продукт фотосинтеза. Древние морские организмы когда-то вымерли, а доисторические леса окаменели под тяжестью верхних слоев земли. Прошли миллионы лет, и они вновь ожили - в виде угля и нефти. Двигатели работают на бензине, электростанции сжигают топливо. Все это - благодаря растениям, превратившим солнечный свет в соединения углерода, заряженные энергией.

Не лучше ли использовать мощнейший механизм, породивший жизнь на Земле?

Дело за малым: осталось лишь сконструировать этот механизм.

Идеей искусственного фотосинтеза загорелся не только профессор Носера. В Великобритании запущен проект «Искусственный лист», США на аналогичные разработки тратят сотни миллионов долларов. Оптимисты надеются, что амбициозная цель будет достигнута уже лет через десять. Носера осторожен в прогнозах: «Не надо торопиться». Ведь не одно поколение ученых билось над зелеными листьями, прежде чем смогло полностью расшифровать процесс фотосинтеза. Он проходит в три этапа: поглощение солнечной энергии, расщепление молекул воды, синтез органических веществ. Причем энергия света передается по принципу домино.

Что делать, чтобы заработал искусственный фотосинтез? Если исходить из принципа домино, то схема работает так. Первая «костяшка домино» - молекулы, поглощающие свет. Лучше всего это делают пигменты. Кванты света, поглощенные пигментами, приводят электроны в возбужденное состояние и высвобождают их из молекул. Это хорошо видно на примере зеленого пигмента хлорофилла, который содержится в листьях растений. Он поглощает «световые частицы» и передает заряженные энергией электроны дальше по цепи.

Так начинается фотосинтез. Теперь настает черед следующей «костяшки», запускающей процесс расщепления воды. На этом этапе на электронные «дырки» в пигменте ставятся «заплатки» из электронов с низкой энергией. «Донором» этих электронов становится вода, которая распадается на составные элементы: кислород + электроны + ионы водорода. Кстати, протоны на третьем этапе, когда растения приступают к синтезу органических соединений. Электроны, отданные пигментом, и протоны, образовавшиеся из воды, направляют свою энергию на соединение с углекислым газом из воздуха. В итоге образуется глюкоза - источник энергии для всех живых организмов.

Над воссозданием фотосинтеза в лаборатории работает уже новое поколение исследователей, которые сосредоточены главным образом на первом и втором этапах цепочки реакций. «Мы на верном пути», - утверждает Носера. Профессор занимается расщеплением воды и намерен получить водород в качестве экологически чистого энергоносителя. Но ему все равно не обойтись без поддержки коллег: кто-то из них должен толкнуть первую «костяшку домино», то есть «собрать» свет. Например, при помощи новейших солнечных батарей. Прежние модели не годятся, нужны более универсальные и эффективные разработки.

Первые фотоэлементы на основе кристаллического кремния появились еще в 1950 - х годах. Они могут превращать солнечный свет в электричество, поскольку электроны кремния заряжаются на свету энергией. Так возникает электрический ток, который зажигает лампочки и заставляет работать стиральные машины. Но, как ни совершенствуй эту технологию, производство кристаллического кремния все равно остается делом хлопотным и дорогостоящим. Кроме того, при слабом свете кремний совсем не годится. Так что на кремниевых фотоэлементах далеко не уедешь. Какой уж тут скачок в будущее...

Как же поймать солнечные лучи?