СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ

Откуда миру брать энергию, когда ископаемое топливо закончится? Основным источником должно стать солнце, объясняет Дэвид Филлипс

СМОГУТ ЛИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ЗАМЕНИТЬ ИСКОПАЕМОЕ ТОПЛИВО?

Возобновляемые источники, такие как ветер и сила приливов, могут обеспечивать лишь малую долю энергии, необходимой населению Земли. Если не учитывать энергию, получаемую от АЭС, остается только солнечный свет.

Солнце за час доставляет на Землю больше энергии, чем человечество сейчас тратит за год (ископаемое топливо, атомную энергетику и все возобновляемые источники, вместе взятые). Солнечная энергия неистощима и не наносит вреда окружающей среде и климату. Перед учеными вызов: найти дешевые, безопасные для окружающей среды методы сбора этой «бесплатной» энергии. Косвенные методы использования солнечного света, например биотопливо, создают свои проблемы—для их производства необходимы большие площади засеваемых земель и огромные запасы воды. Выращивание водорослей и фотосинтетических бактерий в принципе может облегчить эту задачу. Но прежде чем такое решение станет возможным, придется разобраться с целым рядом серьезных инженерных проблем.

Нам необходимы прямые крупномасштабные методы преобразования света в электричество (гелиотехника) и применения солнечного света для создания транспортабельного топлива, такого как водород, метанол, бензин и дизельное топливо. Эти виды топлива будут производиться из природного сырья с помощью солнечного света, например из углекислого газа. Мы можем назвать их солнечным топливом.

Гелиотехника до сих пор по большей части опирается на кристаллический кремний, используемый в фотоэлементах. Но в последнее время стали доступны сенсибилизированные красителем солнечные батареи, позволяющие задействовать более широкий спектральный диапазон, чем традиционный кремний, а также органические солнечные элементы в виде сравнительно дешевых гибких полимерных пленок. В следующем десятилетии прямое преобразование солнечного света в электричество должно становиться всё эффективнее и дешевле, а соответствующие устройства — долговечнее.

Как только удастся повысить эффективность гелиотехники и решить проблему аккумулирования энергии, уже через несколько десятилетий мы станем получать большую часть нашей энергии из подобных солнечных устройств. Чтобы добиться этого, нужно переосмыслить способы производства и эксплуатации электричества. С обычных гигантских электростанций мы перейдем на большое количество местных генераторов размером поменьше и станем больше пускать в дело солнечное топливо вместо обычных динамо-машин.

Эффективное производство солнечного топлива — это величайший вызов, но в ближайшие два-три десятилетия такие технологии будут становиться всё более жизнеспособными.

МОЖЕМ ЛИ МЫ ЗАПАСАТЬ СОЛНЕЧНУЮ ЭНЕРГИЮ?

Поскольку гелиотехника создает электричество только тогда, когда светит солнце, энергию нужно либо использовать сразу, либо запасать. Небольшие батареи могут накапливать электроэнергию — всем знакомы старомодные, но эффективные свинцовые аккумуляторы, установленные в наших машинах, а также литий-ионные батареи в гаджетах. Технология их создания всё время совершенствуется, так что мы вполне можем ждать десятикратного улучшения их работы в ближайшие 10 лет. Батареи вполне могли бы служить для хранения энергии, произведенной солнечными преобразователями — небольшими, но достаточными для обеспечения энергией целого дома.

Однако в более крупных масштабах это все-таки непрактично, придется задействовать огромное количество дефицитных материалов. Некоторые из необходимых химических элементов уже стали редкими или даже находятся на грани исчерпания. Особенно драгоценные металлы, используемые в катализаторах, редкоземельные элементы, которые нужны для генераторов в ветряных турбинах, литий, необходимый для батарей. Между тем любая новая технология должна основываться на элементах, существующих в изобилии.

Самым удобным способом хранения большого количества энергии было бы превращение ее в химическое топливо, которое легко транспортировать и использовать для производства энергии там, где нужно: в домах, машинах, самолетах и электростанциях. Мы могли бы сжигать его или использовать в топливных элементах, как и сейчас.

Какое топливо можно было бы приспособить? Водород—самое простое решение, хотя и не без сложностей с хранением. Но использовать водород как газ в крупных масштабах нереально, да и потенциально опасно, и очень непросто приводить его в жидкое состояние (чтобы получить топливо для транспортных средств). Тут помогли бы новые твердые материалы с открытыми структурами, обратимо впитывающие большие количества водорода. Сравнительно просто получить водород, применяя для разделения воды на составляющие элементы электричество, генерируемое фотоэлементами.

Более амбициозные проекты подразумевают получение водорода напрямую с помощью солнечного света. Изначально такие устройства конструировали, применяя для поглощения света платиновые электроды и краситель, но они оказались неэффективными и недолговечными. Недавно же американские ученые заявили о разработке недорогого и эффективного прототипа «искусственного листа» без использования драгоценных металлов. Этот лист поглощает солнечный свет и с помощью сравнительно дешевого и распространенного катализатора на основе кобальта расщепляет молекулы воды на кислород и протоны (Н+), которые, в свою очередь, можно преобразовать в газообразный водород. Многие ученые работают над искусственным фотосинтезом. Если удастся добиться длительного срока службы, искусственный лист может начать использоваться уже в течение ближайших 10 лет.

МОЖНО ЛИ НАПРАВИТЬ СОЛНЕЧНУЮ ЭНЕРГИЮ НА ПЕРЕРАБОТКУ СО2?

Естественный фотосинтез в растениях (преобразование углекислого газа и воды в углеводы с помощью солнечного света) лежит в основе почти всех пищевых цепочек на планете. Но эволюция тут «оплошала» — эффективность преобразования солнечного света в энергию в зеленом растении равна 1%. При освоении искусственного фотосинтеза надо добиться 10 % -ной эффективности. Человечество должно выиграть у природы со счетом 10:1.

Миру необходимы высокоэнергетические жидкие виды топлива, сходные с привычной для нас нефтью. То есть оно должно быть на основе углерода (работающий исключительно на электричестве или водороде самолет не очень реалистичен). Так откуда возьмется углерод? Самым желанным — и самым сложным в исполнении — было бы либо связывание СО2 из атмосферы, либо извлечение его по мере сгорания ископаемого топлива и превращение в топливо, годное к употреблению. Мы знаем, что такое возможно, ведь так живут зеленые растения. Но необходимые для этого технологии очень сложны.

На первом шаге производится восстановление диоксида углерода (углекислого газа) в монооксид. Для этого требуются особые катализаторы, причем, казалось бы, только ультрафиолет может дать достаточно энергии для обеспечения этого процесса. Солнечный свет содержит лишь небольшое количество ультрафиолета, положиться на него было бы неудачным решением. Однако химики работают над катализаторами, использующими основной компонент солнечного света в видимой части спектра. Другие подходы основаны на использовании солнечного света и кое-каких химических процессов для превращения углекислого газа в муравьиную кислоту, метанол и метан в присутствии водорода или воды. Таким образом можно было бы производить не только жидкое топливо, но и пластмассу, удобрения и лекарственные препараты.

Осуществимость всего этого уже была продемонстрирована; теперь проблема в том, чтобы сделать эти процессы дешевыми, устойчивыми и легко масштабируемыми. Во имя планеты мы обязаны добиться успеха.