Эффективное биотопливо из солнечного света — фантастика или реальность?

10 фантастических технологий, которые станут реальными в ближайшие десятилетия

Получайте на почту один раз в сутки одну самую читаемую статью. Присоединяйтесь к нам в Facebook и ВКонтакте.

Автономные роботы

Создание человекообразного робота с автономным интеллектом – столетняя мечта футурологов. Но лишь сейчас уровень развития технологий вплотную подошел к достижению данной цели.

Впрочем, мечтать, что в ближайшие несколько лет появится робот, которого невозможно отличить от человека, все-таки преждевременно. Но разработки уже ведутся, причем, в разных направлениях. Некоторые команды исследователей пытаются создать подобие искусственного интеллекта, другие работают над роботизацией мимики и чувств, а третьи – изучают возможность придать роботу человеческие движения.

Чтобы похвастаться своими последними достижениями в этих направлениях инженеры регулярно устраивают соревнования между своими роботами: они играют в футбол, танцуют, занимаются борьбой и даже смешивают алкогольные коктейли.

Колонизация Луны и Марса

Создание постоянных обитаемых баз на Луне и других планетах обсуждается уже не первое десятилетие. Но только сейчас в этом направлении начали появляться серьезные успехи. О своем желании открыть базу на Луне уже открыто заявляют Соединенные Штаты Америки и Россия. А миллиардер Илон Маск ставит своей целью колонизировать Марс.

Российская лунная программа, согласно планам, официально стартует в 2018 году. Она будет состоять из множества этапов: начнется с запуска спутников и вспомогательной инфраструктуры, а закончится созданием полноценной базы на Луне. Произойдет это, предположительно, в 2040-2050 годах.

Колонизация космических объектов несет в себе сразу несколько целей. Во-первых, развитие современных технологий. Во-вторых, добычу полезных ископаемых на Луне и Марсе. В-третьих, создание базы для переселения Человечества в случае превращения Земли в непригодную для жизни планету.

Создание еды на принтере

Сейчас процесс приготовления пищи отнимает у людей огромное количество времени. Но в будущем все может значительно упроститься, ведь появятся специальные устройства, трехмерные принтеры, которые будут в считанные минуты печатать даже самые сложные блюда.

Уже сейчас появились первые подобные устройства. Конечно, речь идет о весьма простых девайсах, которые умеют создавать из полуфабрикатов, к примеру, пиццу, бургеры, а также отдельные десерты из шоколада или сахарной пудры. Но в будущем они будут постепенно усложняться.

Питьевая вода для каждого

Удивительно, но даже сейчас, в начале двадцать первого века почти половина населения Земли страдает от нехватки чистой питьевой воды. Некоторые футурологи даже предрекают в скором будущем военные конфликты из-за источников этого ресурса.

Но с ними не согласен, к примеру, Билл Гейтс, который тратит огромные деньги на решение данной проблемы. По его заказу была разработана технология, позволяющая дистиллировать воду в промышленных масштабах.

Гейтс обещает инициировать строительство заводов для очистки воды по всему миру. Первый из них уже возведен в Сенегале. В качестве демонстрации возможностей этой технологии американский миллиардер выпил стакан воды, произведенной из человеческих фекалий.

Также при помощи этой технологии можно будет очищать океанскую воду, что навеки решит мировую проблему недостатка питьевых ресурсов.

Самоочищающаяся одежда

Интересно, что среднестатистическая западная семья больше половины используемой воды тратит на стирку. В будущем эти траты ресурсов могут вообще не понадобиться, ведь идет активная разработка самоочищающейся одежды.

К примеру, китайские ученые уже создали ткань, которая может самостоятельно очищаться от грязи под действием солнечных лучей. Данная технология основана на использовании наночастиц диоксида титана.

Добавленные в волокна ткани, эти частицы позволяют очищать материал от микроорганизмов, органики и даже токсичных веществ. Правда, под сильным действием ультрафиолета.

А ученые из Соединенных Штатов Америки создали инновационную ткань с наноархитектурой, которая эффективно отталкивает воду, пыль, токсичные химикаты, нефть, бензин и т.д. Как ожидается, впервые этот материал будет использован при создании американской военной формы.

Универсальная таблетка

К сожалению, невозможно создать единое лекарство, которое могло бы излечить все существующие болезни. Но в полусекретной лаборатории Google X идет работа над таблеткой, использование которой выявит серьезные нарушения в жизнедеятельности организма на ранних стадиях.

Речь идет об «умном» устройстве, которое, находясь в организме человека, будет собирать данные о его физиологических процессах и даст знать, когда в них появятся даже самые мельчайшие изменения.

Это устройство сможет диагностировать риск рака, инфаркта и других проблем со здоровьем задолго до того, как они станут критическими.

Дополненная реальность

Анонс очков дополненной реальности Google Glass вызвал огромную реакцию во всем мире. Оказалось, что Человечество уже не первое десятилетие мечтает о чем-то подобном. Но реальное воплощение данной идеи оказалось невероятно далеким от ожиданий потенциальных покупателей. А потому в Google оперативно прекратили выпуск своих «умных» очков, чтобы переформатировать проект и дать ему новый старт.

Пока корпорация Google находится в замешательстве из-за неудачи своего проекта Glass, Microsoft представила собственный вариант очков дополненной реальности – устройство с названием HoloLens.

Корпорации Microsoft в очках HoloLens удалось достичь именно того результата, о котором мечтают потребители. Судя по демонстрационным роликам и тестовым испытаниям, эти «умные» очки именно дополняют реальность, соединяют виртуальный и физический мир в единое целое. Так ли это, будет ясно после начала массовых продаж данного устройства.

Клонирование человека

После успешного клонирования в 1996 году овцы Долли начали все чаще звучать дискуссии о возможном создании клонов человека. Технологически это абсолютно выполнимо, однако возникает вопрос в моральной составляющей таких экспериментов.

В большинстве стран существует мораторий на клонирование человека, а в некоторых государствах оно вообще запрещено уголовным кодексом. Но в недалеком будущем эта моральная проблема, по всей видимости, будет решена в пользу науки.

В научном мире и желтой прессе уже распространяются слухи, что отдельные доктора тайно проводят эксперименты по клонированию человека. Но документальных подтверждений этому не существует.

Массовый космический туризм

Первый космический турист отправился на орбиту Земли еще в 2001 году, но с тех пор этот вид отдыха так и не стал массовым. За четырнадцать лет подобным статусом может похвастаться всего восемь человек.

Но уже в ближайшие десятилетия ситуация может существенно измениться. Сразу несколько компаний работают над реализацией идеи массового космического туризма. В будущем могут появиться даже частные орбитальные отели и ночные клубы.

Наиболее перспективным вариантом для частной персоны полететь в Космос в ближайшие годы является сотрудничество с компанией Virgin Galactic. Она оперирует космическими челноками, которые могут подниматься на высоту в сто с лишним километров, доставляя пассажиров на несколько минут в состояние невесомости.

Компания SpaceX уже упомянутого в данном обзоре Илона Маска сейчас занимается отправкой на Международную космическую станцию полезных грузов, но в будущем планирует осуществлять и пилотируемые полеты с туристами на борту. Летательный аппарат для этого уже создан, скоро начнется его эксплуатация.

Термоядерный реактор

Появление термоядерного реактора ожидается уже не первое десятилетие. Но точно сказать дату, когда это произойдет, пока что невозможно. Ученые просят дать им еще лет двадцать, а может и больше.

Но американская корпорация Lockheed Martin заявляет, что вплотную приблизилась к созданию управляемой термоядерной реакции. Специалисты из нее обещают разработать компактный реактор в ближайшие несколько лет.

В Lockheed Martin уверяют, что термоядерный реактор на основе их разработок будет настолько небольшим в размерах, что его можно будет установить даже в легковом автомобиле. А грузовые авто с двигателем с таким реактором в качестве источника питания появятся уже через десять лет.

Упомянутым в данном обзоре технологиям лишь предстоит появиться в ближайшие десятилетия. Но в нашем мире уже существуют плоды человеческого гения, которые еще несколько лет назад казались абсолютно невозможными. 5 знаменитых изобретений из фантастических фильмов, которые уже существуют.

Понравилась статья? Тогда поддержи нас, жми:

Возможно ли сделать топливо из солнечной энергии?

Одно из последних новшеств в мире искусственного фотосинтеза: достигнуты новые высоты в разложении воды солнечным светом для создания водорода.

Есть еще одна, разработка в этой сфере, затрагивающая другой вид искусственного фотосинтеза — использование солнечной энергии для превращения углекислого газа в топливо. С помощью такой технологии можно убрать накопившиеся массы парниковых газов из атмосферы и предотвратить их попадание туда в дальнейшем. Представители Объединенного центра искусственного фотосинтеза Национальной лаборатории Лоуренса Бэркли сообщили о проведении оценки эффективности технологии на нескольких фотоэлектрических клетках.

Команда выяснила, что солнечная энергия может превращать СО2 в синтетический газ, состоящий из смеси водорода и монооксида углерода, который можно использовать для создания нового углеводорода с эффективностью 18.3%. Таким способом также можно производить жидкий хитан — смесь метана и водорода с эффективностью 20.3%.

Алексис Белл — профессор химической инженерии в Калифорнийском университете и глава исследования, рассказал, что идея использовать солнечную энергию для переработки углекислого газа уже “давно витает в умах ученых, но для реализации проекта у них не было ни технических возможностей, ни необходимых ресурсов”.

Читать еще:  Дикий хомяк: фото и описание вида, меры борьбы и защиты на дача

Стоит также отметить, что показатель в 18-20% считается колоссальным успехом, поскольку ранее эффективность превращения составляла менее 7%, а эффективность природного фотосинтеза редко поднималпсь выше 2%.

Белл объяснил, как работают устройства искусственного фотосинтеза : фотоэлектрические клетки поглощают солнечный свет и используют полученную из него энергию для расщепления воды на водород и кислород, после чего водород атакует углекислый газ и образует гидрокарбон и новую воду.

По его словам, вся суть заключается в том, чтобы обеспечить максимально эффективное поглощение света для того чтобы получить достаточное количество энергии для расщепления углекислого газа, а также в том, чтобы “найти катализатор, способный одинаково эффективно конвертировать диоксиды и производить нужный вид топлива”. В результате химической реакции “вам не нужно 10 продуктов; вам нужен лишь 1 или 2, но с максимальной энергоемкостью”, которые можно использовать для транспортного топлива или производства энергии.

Белл и его коллеги нашли четыре рабочие конфигурации для фотопоглотителей: фотоэлектрические клетки с одним, двумя или тремя p-n переходами и фотоэлектрический гидролиз — это система, в которой солнечный свет находится снаружи реакционного центра. Они изучили возможность применения каждого из них в соединении с катодами меди и серебра для формирующей гидрокарбон реакции.

В конечном итоге, исследователи все же определили две идеальные конфигурации для двух видов топлива. Первая заключается в том, что они высчитали, что анод двуокиси иридия с катодом серебра и фотоэлектрической клеткой с тремя переходами могут образовывать синтетический газ для преобразования солнечной энергии в топливо с эффективностью 18.3%. Суть второй — в образовании хитана с помощью анода двуокиси иридия и катода меди с теоретической максимальной эффективностью в 20.3% (ученые исследовали хитан на предмет возможного его использования в качестве альтернативного топлива, при использовании которого в атмосферу попадается намного меньше вредных веществ, чем при сгорании дизельного топлива или природного газа).

В 2010 году Объединенный центр искусственного фотосинтеза был передан под юрисдикцию Центра инноваций Министерства энергетики США, возглавляемого учеными из Калифорнийского технического института и их генеральным партнером в лице Национальной лаборатории Лоуренса Бэркли. А в апреле Министерство образования США пообещало им грант на $75 млн. на следующие пять лет исследований.

Белл заявляет, что за эти пять лет финансирования команда ставит своей целью создание маленького прототипа готового устройства. Производимое таким способом топливо может быть использовано в качестве не оставляющей после себя вредных веществ альтернативы бензину, а также для транспортировки и производства электричества.

Он также допускает использование подобных устройств в сочетании с большими солнечными электростанциями. Избытки солнечной энергии, не задействованные в немедленном производстве электричества, можно пустить на производство запасов, которые можно хранить на случай сильной облачности.

Белл считает, что такой вид хранения энергии лучше подойдет для батарей, поскольку они имеют маленькую энергоемкость. Современные технологии для сохранения энергии, основанные на батареях, не могут предоставить электричества даже на неделю пасмурной погоды, что, безусловно, является проблемой.

Он также добавил, что получать двуокись углерода прямиком из атмосферы было бы, конечно, здорово, но в реальности он, скорее всего, будет черпаться из газовых скважин. Хоть в атмосфере и полно нужного материала, Белл объяснил, что получать из нее какие-либо элементы на данный момент “слишком затруднительно”. Так что до тех пор, пока не будет найден экономически эффективный способ добывать двуокись углерода из атмосферы, придется позаимствовать ее где-то еще.

К счастью (или к сожалению) человеческая деятельность предоставляет исследователем широкий выбор источников огромных объемов углекислого газа.

Ученые смогли превратить свет и воздух в жидкое топливо в закладки 1

На сегодняшний день нам известно множество способов получить различные виды топлива, не прибегая к использованию углеводородов, добываемых из земных недр. И, несмотря на то, что разработки в сфере обеспечения человечества той же альтернативной энергией посредством солнечных батарей уже сегодня успешно внедряются в мировую практику, ученые не оставляют попыток найти и другие не менее эффективные способы. И недавно это удалось группе экспертов из Швейцарии, которые разработали новую технологию получения жидкого углеводородного топлива исключительно из солнечного света и воздуха.

Зачем это нужно?

В первую очередь, подобные разработки помогут сделать одни из самых опасных для окружающей среды виды транспорта (а именно, морской и авиационный) более экологичными. Дело в том, что на сегодняшний день для морских и речных судов, а также для различных видов авиации используется топливо на основе углеводородов, получаемых в процессе переработки нефти. Мало того, что процесс добычи черного золота сложно назвать полезным для нашей планеты, так еще и создание энергоэффективного топлива сопровождается образованием вредных продуктов, загрязняющих атмосферу нашей планеты.

Советуем почитать: Как пластиковые отходы могут стать новым источником энергии

Cолнечная установка производит синтетическое жидкое топливо, которое при сжигании выделяет столько же углекислого газа (СО2), сколько ранее извлекалось из воздуха для его же производства. То есть, по факту, мы имеем практически экологически чистый продукт.

Как это работает

Система извлекает углекислый газ и воду сразу из окружающего воздуха и разделяет их, используя солнечную энергию. Этот процесс приводит к получению так называемого синтез-газа — смеси водорода и оксида углерода, которые затем путем несложных химических реакций превращают в керосин, метанол и другие углеводороды. Эти виды топлива можно использовать в уже существующей транспортной инфраструктуре.


Этот параболический рефлектор, установленный на крыше Швейцарской высшей технической школы Цюриха, «собирает» свет и направляет его к двум реакторам, расположенным в середине установки.

«Наша установка доказывает, что углеродно-нейтральное углеводородное топливо может быть изготовлено из солнечного света и воздуха в реальных полевых условиях», — поясняет глава разработки, профессор Альдо Штайнфельд. «Термохимический процесс использует весь солнечный спектр и проходит при высоких температурах, обеспечивая быстрое протекание реакций и высокую эффективность.»


Непосредственно сам «мини-завод» по синтезу топлива. Он производит около одного децилитра топлива в день (чуть меньше половины чашки)

Штайнфельд и его группа уже работают над крупномасштабным испытанием своего солнечного реактора на базе большой установки для сбора солнечного света в пригороде Мадрида в рамках проекта «Sun-to-Liquid». Следующая цель группы — масштабировать технологию для промышленного внедрения и сделать ее экономически конкурентоспособной.

«Солнечная установка, занимающая площадь в один квадратный километр, может производить 20 000 литров керосина в день», — говорит еще один автор работы Филипп Ферлер. «Теоретически завод размером со Швейцарию или размером в треть калифорнийской пустыни Мохаве мог бы покрыть потребности в керосине всей авиационной промышленности. Наша цель заключается в эффективном производстве топлива с помощью новой технологии, чтобы значительно сократить глобальные выбросы углекислого газа в атмосферу.”

Принцип работы установки

Технологическая цепочка новой системы включает в себя три процесса:

  • Извлечение углекислого газа и воды из воздуха.
  • Солнечно-термохимическое расщепление углекислого газа и воды.
  • Их последующее сжижение в углеводороды.

Процесс адсорбции (то есть поглощения) извлекает углекислый газ и воду сразу из окружающего воздуха. Оба субстрата затем помещаются в солнечный реактор, в основе которого лежит керамическая структура из оксида церия. Температура внутри солнечного реактора составляет 1500 градусов по Цельсию. Эти условия позволяют в ходе двухступенчатой реакции расщеплять воду и углекислый газ с образованием синтез-газа. Как уже было упомянуто выше, синтез-газ представляет собой смесь водорода и углерода, что в свою очередь может быть использовано для получения жидкого углеводородного топлива.

Биотопливо как топливо будущего

В настоящее время большая часть развитых стран в той или иной степени развивает альтернативную энергетику, поскольку понимают, что классические источники энергии исчерпаемы. В этом отношении биоэнергетика обладает явным преимуществом. По мнению кандидата биологических наук, научного сотрудника Лаборатории экологии Института РАН Зоригто Намсараева , биотопливо может стать один из кандидатов на роль технологии будущего, пишет Postnauka.ru .

Что такое биотопливо?

Биотопливо — это органические соединения, которые мы можем использовать для получения энергии. Существуют различные виды биотоплива: твердое (древесные пеллеты, щепа и т. д.), газообразное (биогаз, биоводород, синтез-газ) и жидкое. Жидкое биотопливо самое интересное, так как оно может использоваться на двигателях внутреннего сгорания и реактивных двигателях заменяя топливо из нефтепродуктов. Как правило, это особые углеродные молекулы длиной около 14-15 атомов. В живых организмах они встречаются не очень часто, поэтому нам нужно пытаться каким-то образом находить источники таких длинных молекул. Существуют два способа поиска. Первый способ – использовать существующие пути биосинтеза и каким-то образом пытаться их оптимизировать. Другой вариант — это рассчитать на компьютере принципиально новый путь биосинтеза и создать его в организме с использованием средств синтетической биологии.

Какие проблемы с топливом существуют на данный момент?

На самом деле проблем с топливом сейчас очень много. Мы живем в мире нефти, вся наша цивилизация построена на нефти, весь транспорт, реактивная авиация. Без этого топлива мы не сможем жить. И здесь существует большая проблема: нефть является ископаемым ресурсом, а это значит, что в какой-то момент у нас может оказаться недостаточно ее запасов, пригодных для индустриальной коммерческой добычи, нефть останется где-то в глубоких залежах, в каких-то экономически невыгодных условиях и так далее. Мир уже начинает готовиться к этому моменту. Существует два вопроса. Первый: когда наступит этот момент? И второй вопрос: успеем ли мы разработать соответствующие технологии? Биотопливо — это один из кандидатов на роль такой технологии будущего.

Читать еще:  Приправа орегано: что это за специя, для чего используется в кулинариии, куда добавлять такую траву, чем можно её заменить, как выглядит душица, а также ее фото

Какие варианты биотоплива были в истории человечества?

Основное топливо во многих странах — это древесина. Например, в Танзании порядка 70% энергии до сих пор происходит именно от нее. Конечно, развитые страны от этого ушли очень далеко. Древесина — это на самом деле ресурс исчерпаемый, то есть если мы будем вырубать деревья слишком быстро, то у нас, естественно, энергия закончится. Такой кризис был в Англии в XVI-XVII веках. У них были огромные леса. Существовала даже пословица, в которой говорилось, что в Англии белка способна пересечь всю страну, не спрыгнув на землю. Но для того чтобы выплавлять сталь, нужно было тратить древесный уголь. В то время на 1 килограмм стали необходимо было 50 килограмм угля. А чтобы получить древесный уголь, нужно было собрать много древесины и обжечь ее. Таким образом, англичане вырубили практически все экономически рентабельные леса. Примерно в начале XVII века из-за этого в Англии резко упала выплавка железа. Они стали импортировать железо из Швеции и России. Это происходило до тех пор, пока они не открыли следующий источник энергии — каменный уголь. Тогда индустриальная машина английской промышленной революции заработала снова.

Сейчас может сложиться похожая ситуация. У Англии были огромные запасы угля, и в свое время они посчитали, что его хватит на три тысячи лет, разделив количество запасов на ежегодную добычу. Но в 1860 году Джевонс написал книгу «Вопрос об угле в Англии», где рассказал о том, что потребление угля увеличивается на 3% в год, и к концу XX века уголь в Англии закончится. Он был абсолютно прав. Сейчас в Англии только 6 крупных шахт, а при Джевонсе было 3 тысячи.

Что появилось после древесины?

После древесины появилось масло. Рудольф Дизель в конце XIX века использовал на своем двигателе растительное масло, и он работал. Сейчас проблема состоит в том, что для обеспечения нашего общества автомобильным топливом, у нас недостаточно места, где мы могли бы выращивать культуры, из которых производится растительное масло. Кроме того, если мы начнем сажать пальмы, сою или рапс для того, чтобы производить топливо, нам будет не хватать земли для производства продуктов питания. Сейчас существует очень серьезная проблема: продукты против топлива. Таким образом, первое поколение биотоплива, произведенное из тех продуктов, которые могут использоваться для производства продуктов питания — это тупиковый путь развития. Ставится задача производить биотопливо таким способом, чтобы оно ни в коем случае не вступало в конкуренцию с производством продуктов питания. Это уже биотопливо второго поколения. Из соломы, различных отходов сельского хозяйства, древесины можно получать те же виды биотоплива, что и из пищевых культур.

Насколько первое и второе поколения биотоплива эффективны и жизнеспособны?

Есть два основных вида биотоплива первого и второго поколения: этанол и биодизель , получаемый из растительных масел. В США много кукурузы, а в Бразилии — сахарного тростника, поэтому там очень удобно получать спирт. Его можно добавлять в определенной концентрации в бензин. Сейчас производится множество автомобилей, которые способны ездить на таком бензине, на «зеленом» бензине с добавкой этанола. В США, Бразилии и Европе производство биотоплива первого поколения используется фактически для дополнительного стимулирования сельского хозяйства и снижения зависимости от нефти.

Первое и второе поколение биотоплива — это попытка задействовать существующие мощности. Потому что строить с нуля индустрию в капиталистическом мире очень сложно и дорого. Гораздо лучше задействовать существующие технологии получения спирта и растительных масел. Первое и второе поколение используют эти технологии. А вот третье поколение биотоплив а — это совершенно новая вещь. В основе процесса получения биотоплива лежат фотосинтетические микроводоросли. Они используют энергию света для того, чтобы поглотить углекислоту из воздуха для производства органических соединений.

Микроводоросли очень маленькие — 1, 2, 3, 10 микрометров в диаметре и способны производить очень большое количество жиров внутри клетки — липидов. Эти липиды обладают длинной углеродной цепочкой. Их можно выделить и переработать в биотопливо. Плюсы в том, что этим микроводорослям не нужно выращивать корневую систему, листья и так далее, то есть это просто клетки с липидами внутри. Они очень быстро растут, их можно достаточно технологично собирать. И сейчас это, конечно, очень интересное направление.

Как выглядит процесс получения биотоплива третьего поколения?

Для начала нужно вырастить микроводоросли. Затем эту биомассу нужно собрать.

Ее можно просто взять как есть, засунуть в установку и поднять температуру давление. Произойдет гидрокрекинг и выделится фракция бионефти. Ее мы можем почистить на обычных нефтеперегонных установках. Существует и другой вариант. Мы можем выделить какую-то фракцию из биомассы микроводорослей и переделать ее в биотопливо химически. И таких технологий очень много.

Если сравнивать с обычными сельскохозяйственными культурами, из микроводорослей можно получить на порядок больше биотоплива. Это происходит из-за того, что, во-первых, им не нужно синтезировать корни, ветки, листья, они представляют собой маленькие клетки. Во-вторых, они очень быстро растут. Сельскохозяйственная культура растет в течение длинного сезона. А для того чтобы вырастить микроводоросли, нужна пара недель.

Что представляет собой лаборатория по производству биотоплива из микроорганизмов?

Основа такой лаборатории — это большая установка под названием «фотобиореактор». Они могут быть как открытыми, так и закрытыми. Открытые фотобиореакторы — это пруды, заполненные водой темно-зеленого цвета, закрытые — это целлофановые мешки или пластиковые трубы, внутри которых растут микроводоросли. Когда они вырастают, их собирают, разрушают, выделяют нужную фракцию, и потом уже эту фракцию химически перерабатывают.

Есть еще и четвертое поколение биотоплива. Это технология, при которой используются фотосинтезирующие цианобактерии, которые напрямую производят конечный продукт из СО2. Такой способ очень сильно повышает производительность системы. Представьте себе клетку, которая осуществляет фотосинтез. Она поглотила молекулу углекислого газа из воздуха, превратила ее в органическое соединение, а затем туда, в эту клетку, добавили, например, два гена. Ферменты, которые кодируются этими генами, переработали эти органические соединения в этанол, спирт вышел из клетки наружу. После этого мы можем сделать систему, в которой поверхность воды в фотобиореакторе будет нагреваться солнечным светом, и с нее будет испаряться спирт. Затем можно конденсировать спирт и собирать его. Это очень интересная разработка, она позволяет избежать всех промежуточных этапов сбора и переработки биомассы, сейчас в США она находится на ранней промышленной стадии.

В России, конечно, тоже существует много технологий, в том числе основанных на еще советских разработках. Но нас тормозит то, что в России пока не создан рынок биотоплива. Например, если мы произведем этанол, с него будут брать акцизы, в то время как технически возможно сразу на заводе добавлять этанол в бензин и получать биотопливо. Сейчас идет обсуждение возможности добавления 5% спирта в бензин. Экономический эффект от этого тоже был бы положительный. В России есть огромные территории, где занимаются сельским хозяйством, но экономически рентабельно вывозить зерно на экспорт достаточно сложно. Ведь у нас пока что не очень большой внутренний рынок по сравнению с площадями доступными для развития сельского хозяйства. Можно конечно использовать зерно в качестве корма для скота, но, к сожалению, у нас еще недостаточно развито животноводство. Поэтому производство биотоплива или биопластиков может стать весьма перспективным направлением развития сельского хозяйства. Сейчас рынок биопластиков растет со скорость около 20% в год. Это очень перспективная тема.

Какие еще есть виды биотоплива?

Сейчас в разработке находится пятое поколение. Это электробиосинтез — использование электричества для синтеза биотоплива. Существуют микробы, которые способны потреблять электроэнергию с электрода, погруженного в раствор. Потенциально они обладают очень высоким КПД. Например, КПД солнечной батареи, которую можно купить в супермаркете составляет порядка 10-15%. Некоторые микроорганизмы способны направлять до 80% электронов полученных с электрода на синтез органических соединений. Если мы сосчитаем 80% от 10-15%, то получится, что порядка 8-12% энергии солнечного света используется для синтеза органических соединений. Казалось бы, не очень много. Но если сравнивать с обычным фотосинтезом, на котором существует вся биосфера, то он обладает эффективностью около 1% конверсии.

Какие преимущества есть у этого поколения биотоплива?

Во-первых, это возобновляемый ресурс. То есть его можно использовать очень долго, не обращая внимания на то, что у нас заканчивается нефть или что-то еще происходит. Во-вторых, если мы действительно придумаем такие технологии, которые не будут занимать площади для сельского хозяйства и тратить пресную воду, то тогда мы сможем увеличить производство и продуктов питания и биотоплива. Более того, с помощью таких технологий можно получать биополимеры, пищевые добавки и т. д. Даже еду на определенном этапе развития технологии можно было бы синтезировать таким образом.

Читать еще:  Томат «ричи» f1: описание сорта и рекомендации по выращиванию помидоры

Сейчас растет количество населения. Нас сейчас около семи миллиардов. Через 35 лет нас будет уже более девяти миллиардов, это на 35% больше. А вот еды, по прогнозам, человечество будет потреблять на 100% больше. Свободной земли приемлемого качества для того, чтобы увеличить в два раза производство питания, у нас к сожалению нет, поэтому нужна глобальная интенсификация производства продуктов питания.

Какие основные проблемы существуют в развитии этого направления?

На мой взгляд, главное — это создание рынка. Когда создается рынок, сразу привлекается частная инициатива, а это мощнейший драйвер для развития данной отрасли. Мне кажется, основные задачи на данный момент — это грамотная государственная экономическая политика по созданию рынка биотоплива и биополимеров, а также стимулирование научных исследований в этой области.

Самолеты на водорослях и пакеты из свеклы: зачем нам нужно биотопливо

Теории и практики

Возобновляемое сырье, о котором так много говорят в связи с истощением природных ресурсов, — это органические отходы промышленности, сельского и лесного хозяйства. Такая растительная биомасса дешевле газа, угля и нефти, из нее можно получать новые продукты, одновременно решая проблему утилизации отходов. T&P публикуют статью из сборника «Атлас технологий будущего» о том, как получить дизельное топливо из водорослей, электричество — из органических отходов, а биоразлагаемую упаковку — из свеклы.

Атлас технологий будущего

А.В. Соколова, Н.С. Микова, Е.В. Гутарук
Издательская группа «Точка», 2017
Премия «Просветитель»

Особенно перспективными являются технологии переработки возобновляемого сырья в биотопливо и электроэнергию, а также решения для производства биополимерной упаковки. Применение этих технологий позволяет осуществлять их рециклизацию, т. е. вторичную переработку в новом цикле создания продукции (в частности, субстратов в топливных элементах и биопластиков).

Потенциал использования названных технологий в России очень высок. Их разработка и внедрение приведут в среднесрочной перспективе к снижению зависимости экономики страны от энергоресурсов, зарубежных продуктов и технологий, созданию новых рынков.

Биодизель из микроводорослей

По мере роста численности населения и повышения мобильности людей увеличивается ежегодная потребность в авиационных и автомобильных перевозках. Удовлетворять усиливающийся спрос на моторные топлива возможно путем производства биодизеля нового поколения из зеленых микроводорослей — альтернативы биодизелям, получаемым на основе сельскохозяйственных культур.

Зеленые микроводоросли способны преобразовывать углекислый газ в органические соединения, оказывая при этом очищающий эффект на атмосферу и гидросферу. Такое биотопливо можно использовать в двигателях дизельного типа: оно очень близко по составу к традиционным моторным топливам — продуктам нефтепереработки. Очевидные преимущества микроводорослей — высокие скорость роста биомассы и содержание масел, удобство сбора и возможность выращивания непосредственно на предприятиях и вблизи электростанций — усиливают интерес ученых и многих крупных корпораций к их исследованию и промышленному использованию. В ряде стран начато серийное производство специальных биореакторов по выращиванию микроводорослей. Япония и США уже осуществили успешные испытания авиационного и автотранспорта, работающего исключительно на биодизеле из водорослей.

Стимулирование развития транспортного сектора, повышение его экологичности и удовлетворение растущих потребностей в топливе.

Снижение остроты конкуренции между техническими и продуктовыми посевными площадями (благодаря культивированию микроводорослей в фитореакторах, вихревых плавающих аквареакторах, открытых водоемах).

Развитие регионов с неблагоприятными социально-экономическими условиями и снижение их зависимости от импортируемых топлив.

Получение белков, антиоксидантов, пищевых красителей и других полезных продуктов из микроводорослей.

Оценки рынка

К 2030 г. мировое производство биотоплива увеличится до 150 млн тонн в нефтяном эквиваленте при ежегодных темпах роста на уровне 7–9%. Его доля достигнет 4–6% общего объема топлива, потребляемого транспортным сектором. Биотопливо из водорослей может заменить более 70 млрд литров ископаемого топлива ежегодно. Рынок биотоплива в России к 2020 г. может вырасти более чем в 1,5 раза — до отметки в 5 млн тонн в год. Вероятный срок максимального проявления тренда: 2025–2035 гг.

Драйверы и барьеры

Экологическая политика развитых стран по минимизации масштабов загрязнения окружающей среды.

Необходимость масштабных инвестиций для строительства заводов по производству биодизеля, настройки технологических процессов.

Зависимость эффективности роста микроводорослей от интенсивности солнечного света (при выращивании в открытых водоемах).

Структурный анализ

Прогноз структуры мирового рынка биотоплива: 2022 (%)

Электроэнергия из органических отходов

Процессы утилизации и переработки отходов могут быть совмещены с производством практически значимых продуктов и даже электроэнергии. При помощи специальных устройств — микробных топливных элементов (МТЭ) — стало возможным производить электроэнергию из отходов напрямую, минуя стадии получения биогаза и его последующей переработки в электричество.

МТЭ представляют собой биоэлектрическую систему. Эффективность ее функционирования зависит от метаболической активности бактерий, которые расщепляют органические соединения (отходы) и передают электроны на электрическую цепь, встроенную в эту же систему. Наибольшей эффективности таких бактерий можно добиться, встраивая их в технологическую схему предприятий по очистке сточных вод, содержащих органические вещества, при расщеплении которых выделяется энергия.

Уже существуют лабораторные разработки, позволяющие использовать МТЭ для подзарядки аккумуляторов. По мере масштабирования и оптимизации технологических решений станет возможным обеспечивать электричеством и небольшие предприятия. Например, высокопроизводительные МТЭ, работающие на объемах от десятков до тысяч литров, обеспечат автономное питание очистных сооружений.

Повышение экологичности производственных процессов и эффективности работы предприятий, снижение их зависимости от внешних источников электроэнергии, уменьшение себестоимости продукции и расходов на приобретение очистных технологий.

Улучшение ситуации в энергодефицитных регионах, повышение их конкурентоспособности благодаря использованию МТЭ.

Возможность автономного получения электроэнергии для неэнергоемких целей (например, в небольших фермерских хозяйствах).

Оценки рынка

70% — настолько вырастет к 2020 г. в России доля отходов, которые будут перерабатываться методами биотехнологий, по сравнению с 2012 г. В странах Европейского союза доля электроэнергии из биогаза составит около 8%. Вероятный срок максимального проявления тренда: 2020–2030 гг.

Драйверы и барьеры

Увеличение объемов органических отходов и рост потребности в электроэнергии.

Возможность работы биореакторов типа МТЭ на различных источниках энергии, включая сточные воды.

Недостаточный уровень инвестиций, необходимых для встраивания МТЭ в технологические процессы, длительный период их окупаемости.

Необходимость привязки биореакторов к местам образования отходов.

Относительно низкая эффективность ныне функционирующих опытно-промышленных конструкций биореакторов типа МТЭ.

Структурный анализ

Исследования микробных электрохимических систем по типам: 2012 (%)

Биоразлагаемая полимерная упаковка

Повсеместное распространение упаковки из синтетических полимеров (пакетов, пленок, контейнеров) приводит к обострению проблемы загрязнения окружающей среды. Решить ее может переход к упаковочным материалам из биоразлагаемых полимеров, быстро утилизируемых и удобных в использовании.

В большинстве развитых стран в производстве упаковки намечается тенденция вытеснения тяжело и долго (до нескольких сотен лет) разлагающихся синтетических полимеров биоразлагаемыми (с периодом утилизации 2–3 месяца). Ежегодный объем их потребления только в Западной Европе составляет около 19 тыс. тонн, в Северной Америке — 16 тыс. тонн. Вместе с тем по ряду показателей биополимерные упаковочные материалы пока отстают от традиционных синтетических.

Технологии производства биополимерных материалов на основе полимолочной кислоты из растительных сахаров зерновых культур и сахарной свеклы позволяют производить упаковку с высокими потребительскими характеристиками: эластичную и прочную, устойчивую к влаге и агрессивным соединениям, непроницаемую для запахов, с высокими барьерными свойствами и при этом эффективно и быстро разлагающуюся. Совершенствование технологий направлено на снижение их материало- и энергоемкости.

Формирование и развитие нишевых рынков — термоусадочных упаковок, влаго- и запахонепроницаемых пакетов, ударостойких контейнеров и др.

Сокращение зависимости экономики от нефтегазового сырья.

Снижение негативного воздействия на окружающую среду.

Повышение экологической культуры населения, стимулирование приверженности к здоровому образу жизни благодаря массовому использованию качественной и удобной биоразлагаемой упаковки.

Оценки рынка

Рынок биополимеров, изготовленных на основе возобновляемых ресурсов, будет ежегодно расти на 8–10%. Наиболее интенсивно будет развиваться сегмент упаковочных материалов. Уже сейчас объем этого сегмента составляет 90% текущего объема мирового потребления биополимеров (205 млн тонн). Емкость рынка биополимеров в 2020 г. достигнет 4 млрд долларов. Вероятный срок максимального проявления тренда: 2025–2030 гг.

Драйверы и барьеры

Ужесточение экологических требований к упаковочным материалам, повышение стоимости утилизации традиционной упаковки.

Сокращение использования неразлагаемой упаковки в связи с необходимостью экономить невозобновляемые ресурсы нефти и газа в развитых странах.

Недостаточно развитое экологическое воспитание у населения и бизнеса.

Более высокая стоимость биоразлагаемых полимеров по сравнению с синтетическими.

Структурный анализ

Биополимерные материалы на рынке производства биопластика: 2010–2011 (%).

В рубрике «Открытое чтение» мы публикуем отрывки из книг в том виде, в котором их предоставляют издатели. Незначительные сокращения обозначены многоточием в квадратных скобках. Мнение автора может не совпадать с мнением редакции.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector