Зелёная энергетика может стать действительно зелёной
Несколько лет назад впервые был зафиксирован факт получения электричества от живого растения. Но только сейчас исследования ряда американских, голландских и японских учёных подошли к точке, где стала ясна возможность коммерциализации бактериальных топливных элементов (БТЭ), питающихся от продуктов жизнедеятельности растений.
Такие БТЭ одновременно вырабатывают электричество и снижают образование парниковых газов.
Американец Гордон Уэйлд, изобретатель из Иллинойса, первым обнаружил в 2006 году, что металлический гвоздь, вбитый в дерево и соединённый проводком с металлической же закопанной в землю пластиной, играет роль анода, по которому электроны устремляются к пластине-катоду. Теоретическое объяснение этому необычному факту дал физик Андреас Мершин из Массачусетского технологического института (США): в почве оказалось больше положительно заряженных ионов водорода, чем в дереве. По сути, энергия бралась из побочных последствий фотосинтеза, осуществляемого деревом. Но электричества при этом вырабатывалось весьма немного, и самостоятельным источником энергии такой «топливный элемент» стать не мог.
Устройство бактериального топливного элемента, питающегося от микроорганизмов, которые разлагают продукты жизнедеятельности растений (изображение NewScientist).
{cke_protected}{C}
Берт Хамелерс, исследователь из Вагенингенского университета (Нидерланды), подошёл к проблеме с противоположной стороны; его работа на эту тему недавно появилась в журнале Bioresource Technology.
Целью учёного было создание бактериальных топливных элементов, но не таких, как нынешние (для переработки мусора и биоотходов), а автономных, не требующих систематической подпитки. Г-н Хамелерс задался вопросом: где можно найти больше всего бактерий, не зависящих от внешней топливной подпитки? Этим местом оказалась почва. Почвенные бактерии получают около 50% углеводов, вырабатываемых растениями в процессе фотосинтеза. Аэробные бактерии разлагают углеводы, образующиеся при этом ионы водорода соединяются с кислородом; итог — молекулы воды. Вывод: как источник энергии аэробы не годятся.
Поэтому исследователь обратил внимание на анаэробные бактерии, живущие в заболоченным почвах, где нет свободного кислорода. Он укладывал электроды рядами, засыпая пространство между ними смоченными мелкими графитовыми гранулами, играющими роль анода. После ряда опытов ему и биотехнологу Давиду Стрику удалось поднять энергоотдачу с 0,2 Вт с одного кв. м до 0,5 Вт. Г-н Стрик настолько воодушевился полученными результатами, что даже основал компанию Plant-e, с помощью которой надеется коммерциализировать новые бактериальные топливные элементы. Между тем усилия голландских учёных были замечены, и сейчас они работают по программе ЕС Plant Power, намереваясь поднять отдачу до 3,2 Вт на кв. м. И даже с половиной от этой цифры квадратный метр травяной крыши (что в Голландии почти общее место) сможет вырабатывать 14 киловатт-часов год, а с крыши в 50 м² — 700 кВт•ч; это составляет 20% от ежегодного потребления средней голландской семьи.
Как Стрик и Хамелерс намерены получить такие результаты? Во-первых, есть растения, у которых основная часть массы расположена в почве, туда же они выделяют до 80% избыточных для себя углеводов. Особенно привлекательна в этом смысле обычная сахарная свёкла. Другим значительным резервом остаётся бактериальная флора. Существующая естественная флора разлагает углеводы настолько быстро, что катод не успевает задействовать образующиеся электроны в реакции окисления. Подбор другой анаэробной флоры, по мнению исследователей, способен значительно повысить энергоотдачу. Сами «электростанции» можно располагать в любом болоте, на территориях, не имеющих никакого хозяйственного значения. В отличие от существующих ветровых и солнечных источников электроэнергии, бактерии «работают» и ночью — следовательно, не потребуется разворачивать сеть дорогостоящих промышленных энергонакопителей.
Сходными идеями руководствуется и Казуя Ватанабе, биолог из Токийского университета (Япония). Располагая электроды на затопленных рисовых чеках, он рассчитывает не только получать электричество, но и снизить негативное воздействие глобального потепления.
Как отмечает Уилли Гермстрайт из Гентского университета (Бельгия), эта инициатива особо интересна потому, что заливные рисовые поля производят до 20% ежегодных выбросов метана — одного из сильнейших парниковых газов. Собственно говоря, все те ионы водорода, которые бактериальные почвенные топливные элементы окисляют при получении электроэнергии, раньше уходили на окисление «осколков» углеводных молекул и вели к выработке метана, попадавшего затем из почвы в воздух. БТЭ снижают метановые выбросы вне зависимости от типа растений, но рисовые поля в странах Азии занимают значительную площадь (в Японии это 12% территории страны), и при этом из-за обводнённости на них живут только анаэробные бактерии, особенно энергично вырабатывающие метан.
Словом, у авторов новых топливных элементов на руках уже есть серьёзные экологические козыри. Будут ли им сопутствовать экономические и энергетические удачи, покажет время.
