Проект "Фотоводород"

Предыдущий рассказ о гевее и растениях рода молочаевых, как надеется автор, укрепил веру читателя в то, что растения способны на многое. И даже на производство... водорода!

В 1942 году американский исследователь Г. Гаффрон обнаружил, что сине-зеленые водоросли (рекордсмены среди растений по длительности существования на Земле - 3 миллиарда лет!), помещенные в искусственную атмосферу из инертного газа (без углекислоты и кислорода воздуха), начинают под действием света выделять вовсе не кислород, а водород.

Как же так? Мы привыкли, что растения выделяют кислород, которым дышит все живое, а тут...

В поисках ответа на этот вопрос наука еще не пришла к единому мнению. Но, видимо, накопившиеся в результате разложения воды излишки водорода (напоминаем, что в естественных условиях этот водород соединяется с углекислотой воздуха) требуют выхода, удаления. И водоросли "извергают" их.

Водородный цех может работать не только в сине-зеленых водорослях, но и в некоторых видах фотосинтезирующих бактерий. А также в искусственных системах, содержащих выделенные из растений хлоропласта.

Ну чем не фантастика! Не надо копировать тончайшие процессы разложения воды (химическая бионика), а сразу получать уже готовый водород.

Брать от растений не только плоды или клубни, но и топливо. Однако не в виде дров, как встарь, а по-иному - остановить фотосинтез на стадии разложения воды и вывести водород из недр растений (или водорослей, или бактерий) до того, как он будет израсходован на восстановление углекислоты воздуха.

Подобные исследования были начаты во многих странах. В нашей стране возник проект "Фотоводород", объединяющий многие организации.

Его совместно осуществляют находящийся в подмосковном городе Пущино Институт фотосинтеза Академии наук СССР, химический и биологический факультеты Московского государственного университета и другие научные коллективы.

Конечная цель проекта "Фотоводород" - подобрать биологические системы, которые бы использовали солнечную энергию для извлечения из воды не только кислорода, но и водорода.

Вновь не будем углубляться в научные тонкости, а обрисуем лишь контуры. Наиболее развит аппарат фотосинтеза у высших растений. Но заставить работать высокоразвитые создания так, как это надо нам, совсем не просто. Поэтому выбрали обходный путь - модельные системы.

Решили разрушить клетки растений, выделить хлоропласта - органеллы, в которых идет фотосинтез, в чистом виде и поместить их в специально приготовленный раствор - среду, удобную для их функционирования.

В помощь хлоропластам приданы еще два необходимых компонента: ферредоксин - "профессиональный" переносчик электронов, образующихся при поглощении хлорофиллом квантов света, и гидрогеназу - биологический катализатор, способствующий быстрейшему выделению водорода.

Первая установка такого типа была создана в 1973 году в США. Она давала 15 микролитров водорода на миллиграмм хлорофилла и работала всего четверть часа. Дело в том, что ее составляющие части - ферредоксин и гидрогеназа - оказались очень нестойкими.

Тогда за дело взялись совместно советские и английские ученые (работники Института фотосинтеза в Пущине сотрудничали с лабораторией Лондонского университета, которой руководил профессор Дэвид Холл). Их установка выделяла уже литр водорода в час на грамм хлорофилла и работала 6 часов. Ученые сумели найти правильное соотношение частей, подобрали стойкие к окислению ферменты. Но через шесть часов погибает хлоропласт!

И в естественных условиях "срок службы" хлоропластов и молекул хлорофилла недолог. Но живая клетка непрерывно заменяет выбывшие из строя "детали" новыми - идет непрерывная регенерация рабочих частей.

Обновляется и состав хлорофиллов. И даже хлоропластов, крошечных фабричек фотосинтеза. А в искусственной системе этого нет. Поэтому здесь задача - постараться превзойти природу: сделать Хлоропласта долгожителями, которые и с возрастом не теряли бы своих рабочих качеств.

Ученые многих стран мира пытаются продлить жизнь всех трех главнейших элементов: хлоропластов, ферредоксина и гидрогеназы. Это один путь. Но есть и другой. Можно заменить живые элементы системы их синтетическими аналогами.

Работа ведется в обоих направлениях. Химики стараются подыскать или создать подходящие аналоги, а биологи - повысить стойкость живых участников реакции.

Гидрогеназа, например, встроенная в твердую матрицу (стекло или сажа), работает со 100-процентной эффективностью. И уже не минуты, даже не часы, а год!

Кто выиграет в этом соревновании, сказать трудно. Системы могут быть и "живые", и синтетические, и комбинированные.

Будущее проблемы "Фотоводород", как и всякой фундаментальной проблемы, предсказать трудно. Но вот что пишет большой энтузиаст этого дела, один из создателей проекта "Фотоводород", декан химического факультета МГУ, член-корреспондент Академии наук СССР И. Березин:

"Представим себе, что водородные реакторы установлены где-нибудь в пустыне, где солнце светит почти весь год. Тогда за день с квадратного метра поверхности удастся добывать 9 молей водорода - 18 граммов, или 18 тонн с квадратного километра. Расчет показывает, что абсолютно все энергетические нужды нашей страны может удовлетворить урожай водорода, снимаемый с участка пустыни размером 140×140 километров..."

Водородные плантации - мечта, явь? Фантастика, дерзко врывающаяся в мир обыденности?

Но, право, ее здесь, может быть, не больше, чем в ныне горячо обсуждающихся проектах заселения космоса, в путях практической реализации термоядерных электростанций и во многих других еще вчера казавшихся нереальных дерзаниях.

Опыты по искусственному воспроизведению фотосинтеза с попыткой получить столь ценный для человека водород знаменательны. Ведь все мы путешествуем на огромном космическом корабле, имя которому Земля. Здесь мы уподобляемся космонавтам, живущим в замкнутом цикле воспроизводства всех необходимых веществ - кислорода, пищи, воды, энергии. Продублировав фотосинтез, поставив себе на службу водород, мы станем обладателями экологически чистой энергии. Овладев искусственным фотосинтезом и создав водородную энергетику, человек сдаст экзамен на зрелость и будет способен выйти в открытый космос, как когда-то вышли из океана и расселились на суше наши далекие биологические предки.