Пэйдун Ян: Мы хотим учиться у природы и превзойти ее по эффективности преобразования энергии

Естественный фотосинтез является одним из наиболее распространенных и в тоже время одним из наиболее сложных процессов преобразования солнечной энергии в химическую. Ученые уже не один десяток лет пытаются воспроизвести его в лабораторных условиях, чтобы научиться получать недорогую энергию из самых распространенных веществ на Земле: воды и воздуха. Кроме того, массовое применение фотосинтеза может помочь решить еще одну серьезную проблему современной цивилизации – загрязнение воздуха выбросами углекислого газа. Команде лауреата премии «Глобальная энергия», директора Института энергетической нанонауки имени Кавли (ENSI), профессора Калифорнийского университета в Беркли Пэйдун Яна удалось с помощью искусственного фотосинтеза создать новую форму химической энергии, которая преобразуется из солнечной и сохраняется в химических связях. Что представляет собой этот «жидкий солнечный свет» и как новая технология позволит может кардинально изменить развитие современной энергетики, Пэйдун Ян рассказал в интервью сайту «Глобальная энергия».

- Сейчас в Европе – да и во всем мире – стала популярной идея отказа от углеродной энергии и перехода к чистым источникам. Появилось большое количество разнообразных технологий по производству энергии без СО2, таких как водородная энергия, тепловые элементы, возобновляемые источники энергии, углеродные ловушки и так далее. Как работает ваша система и в чем преимущество технологии искусственного фотосинтеза и ее использования при создании солнечных батарей?

Пэйдун Ян: Действительно, возобновляемые источники энергии приобретают всё больший вес и в современном обществе, так как они позволяют значительно сократить выбросы СО2 и, тем самым, противодействовать изменениям климата и глобальному потеплению. Важно помнить, что на сегодняшний день в нашем общем глобальном энергетическом портфеле по-прежнему доминирует традиционное ископаемое топливо. Отрадно, что сейчас многие страны начинают активно сокращать выбросы углекислого газа и надеются достичь нулевого уровня выбросов углерода в следующие несколько десятилетий.

Для достижения этих амбициозных целей нам потребуется больше возобновляемых источников энергии, самыми главными из которых являются солнечные батареи. Имеется много других технологий, таких как водородные технологии, ветровая и геотермальная энергия, улавливание и использование углерода.

Солнечные батареи, или фотоэлектрические элементы, и впрямь чрезвычайно важны с точки зрения улавливания неограниченного количества солнечной энергии и преобразования ее в электричество. При этом из-за прерывистого характера солнечного излучения следует обеспокоиться методами накопления энергии или способами интеграции с существующими электрическими сетями. В этом отношении то, над чем мы работаем – искусственный фотосинтез, – предлагает решение для преобразования и хранения энергии за один шаг. В отличие от солнечных батарей, где солнечная энергия улавливается и преобразуется в электричество, наша искусственная фотосинтетическая система преобразует солнечную энергию непосредственно в химическую. Здесь также присутствует искусственный фотосинтетический процесс, который можно использовать для преобразования CO2 в полезные химические вещества – например, жидкое топливо типа бутанола. Одна из мощных функций искусственного фотосинтеза заключается в преобразовании солнечной энергии и хранении ее в химических связях с высокой энергетической плотностью, с использованием CO2 в качестве сырья. С помощью одной-единственной технологии можно достичь двух важных целей, а именно - преобразование неограниченной солнечной энергии в химическую и преобразование CO2 в химические вещества с дополнительными положительными характеристиками, которые сегодня найдут себе применение в энергетической, химической и фармацевтической отраслях.

- С точки зрения обычного человека, не обладающего специальными знаниями, ваша технология выглядит примерно, как повторение процесса, происходящего у растений. Не попытка ли это изобрести велосипед? Какие основные отличия имеются у данной технологии?

Пэйдун Ян: Именно поэтому разрабатываемая нами технология и называется «искусственный фотосинтез». Действительно, мы подражаем мощному природному фотосинтетическому процессу, идущему в растениях. В естественном фотосинтезе чистая реакция начинается с углекислого газа и воды, на которые воздействует солнечная энергия. Конечными продуктами являются углеводы и кислород, возвращаемые в окружающую среду растениями. Однако важно помнить, что эффективность преобразования энергии при естественном фотосинтезе относительно низка, КПД обычно составляет менее 1%.

Чистая химическая реакция нашего искусственного фотосинтеза аналогична: вы начинаете с CO2, воды и солнечного света, а в результате получаете кислород и другие химические вещества с дополнительными положительными характеристиками, такие как метан, ацетат (обычный химический промежуточный продукт для многих других важных химических веществ), жидкое топливо, например, бутанол, биоразлагаемые полимеры и даже некоторые химические прекурсоры для определенных лекарств.

Хотя общий молекулярный процесс, процесс разрыва и образования связей очень похож, в искусственном фотосинтезе используются разработанные в лаборатории полупроводники для захвата солнечной энергии; также разработаны катализаторы химической трансформации. По сути, мы хотели бы учиться у природы и в то же время превзойти ее с точки зрения эффективности преобразования энергии за счет разработки лучших полупроводниковых поглотителей света и лучших катализаторов в общей системе.

- Многие эксперты отмечают, что подобные биологические солнечные панели имеют низкий коэффициент эффективности преобразования энергии; приводятся цифры от 0,1% до 1%. Коэффициент же, достигаемый нынешними солнечными панелями, уже превышает 20%. Уместны ли такие сравнения? Насколько ваша технология эффективна?

Пэйдун Ян: В данном случае мы говорим об эффективности преобразования солнечной энергии в химическую. На самом деле, эта эффективность является относительно низкой по сравнению с КПД типичной кремниевой солнечной панели. Однако же, данное сравнение не слишком правомерно, поскольку солнечные батареи предназначены лишь для преобразования солнечной энергии в электрическую.

Недавно мы рассказали в журнале Joule о преобразовании солнечной энергии в химическую с КПД 3,6%. Это значение уже намного лучше, чем у естественного фотосинтеза зеленого листа. Тем не менее, верно и то, что существует еще множество возможностей для повышения общей эффективности.

С другой стороны, моя группа в основном работала над полностью интегрированной версией таких искусственных фотосинтетических систем. Если расширить обсуждение, включив в его поле тему улавливания и преобразования углерода, то можно отметить, что прямая комбинация солнечной панели, водного электролизера (для производства водорода) и, возможно, биореактора в принципе позволила бы повысить эффективность. Но я уже не стал бы называть это искусственным фотосинтезом, поскольку здесь присутствует простое сочетание трех хорошо известных процессов: фотоэлектрической энергии, электролиза воды и биокатализа.

- На первый взгляд, презентуемая вами система, основанная на нанопроволоке в качестве фотоэлемента и бактериях в качестве химических катализаторов, довольно сложна и хрупка. Насколько данная система восприимчива к внешним условиям и как долго она может работать? Как часто нужно менять батареи, и может ли система работать в режиме саморегулирования?

Пэйдун Ян: Да, эти экспериментальные устройства и впрямь обычно требуют значительных технических усовершенствований для будущего масштабирования и коммерциализации. Нынешние лабораторные прототипы наших устройств обычно способны непрерывно функционировать в течение нескольких дней, а некоторые и до месяца, в зависимости от используемых нами штаммов бактерий. Важным требованием к этим фотосинтетическим биогибридным системам, разработанным в нашей лаборатории, является поддержание здорового взаимодействия между полупроводниками и сообществом бактерий. Другой ключевой особенностью этих бактерий-катализаторов является способность к самовоспроизводству и самовосстановлению.

- Правильно ли я понимаю, что действующий искусственный фотосинтез дает не энергию, а скорее топливо, в том числе окись углерода? Как можно использовать эту систему в будущем? И действительно ли система противоречит главной задаче – применению искусственного фотосинтеза для принципиальной ликвидации углерода? Есть ли другие варианты получения топлива (например, бутанола или водорода)? Можно ли получить электричество?

Пэйдун Ян: Во-первых, энергия сохраняется всегда. Мы не собираемся производить сверхчистую энергию, развивая определенные технологии. Основной принцип искусственного фотосинтеза заключается в следующем: углекислый газ + вода + солнечный свет дают жидкое топливо и кислород

Я часто называю это «жидким солнечным светом». Жидкий солнечный свет – новая форма химической энергии, которая преобразуется из солнечной энергии и сохраняется в химических связях. В будущем мы сможем разработать необходимые искусственные фотосинтетические системы для преобразования и хранения солнечной энергии в химических связях в гигаваттных и тераваттных объемах. Это в точности соответствует нашей конечной цели по сокращению выбросов CO2, поскольку в ходе такого искусственного процесса фотосинтеза углерод полностью перерабатывается обратно в полезное топливо, например, в бутанол. Это идеальное решение наших энергетических и экологических проблем, позволяющее добиться нулевого уровня выбросов.

- Сколько будет стоить такое топливо? Насколько эффективным оно будет? Потребует ли оно изменения всей энергетической системы?

Пэйдун Ян: Это относительно молодая технология, и о стоимости такого «жидкого солнечного света» пока говорить рано.

Как я уже отметил выше, теперь к нашим услугам имеется хорошо развитая нанонаука, которая поможет нам разработать эффективные полупроводниковые наноструктуры захвата света, катализаторы для фиксации и активации CO2 и преобразования их во многие полезные химические вещества – скажем, жидкое топливо, полимеры и промежуточные соединения для лекарств – с помощью энергии, получаемой исключительно из солнечного света.

Эти химические вещества используются нами ежедневно и поэтому они уже являются неотъемлемой частью существующей инфраструктуры. Важно помнить, что все виды топлива, полимеры и лекарства, которые мы используем в настоящее время, получены непосредственно из ископаемого топлива. Разрабатывая технологию искусственного фотосинтеза, мы предлагаем захватывающую возможность производить те же химические вещества всего лишь из CO2 и солнечного света! Можно представить себе, что в будущем наша химическая промышленность, энергетика и фармацевтика могут полностью получать энергию от возобновляемых источников солнечной энергии, а не полагаться в основном на традиционное ископаемое топливо.

- Верно ли, что на данный момент мы говорим о лабораторных экспериментах, которые еще предстоит проверить на практике? Насколько они были успешными? Вы продвигаетесь к промышленным пилотным проектам? Что еще понадобится для массового использования этой системы в будущем? Какие объемы инвестиций потребуются для реализации проекта промышленного производства таких панелей?

Пэйдун Ян: Это относительно молодая технология по сравнению, например, с технологией солнечных батарей. По большей части она существует пока что в стенах лаборатории, в качестве опытного образца. Чтобы задуматься о возможном расширении масштабов и коммерциализации, необходимо решить множество вопросов, таких как эффективность преобразования энергии, долгосрочная стабильность, селективность химических веществ и т.д. Поэтому необходимо поддержать значительный объем фундаментальных исследований и оптимизации технологий.

Но если расширить обсуждение, включив в его рамки тему улавливания и преобразования углерода, прямую комбинацию солнечной панели, водного электролизера (для производства водорода) и, возможно, биореактора, то это может дать нам лучший КПД. По крайней мере, на данном этапе – эта комбинация, вероятно, лучше подойдет для крупномасштабной реализации.

- Верно ли, что технология искусственного фотосинтеза может применяться на космических станциях? Для каких конкретно целей? Проводились ли эксперименты в этой связи? В какой степени использование данной технологии может считаться серьезной опцией – например, для путешествия на Марс? В каких еще сферах деятельности ее можно было бы эффективно использовать?

Пэйдун Ян: Новая технология может пригодиться для исследований глубокого космоса, включая Марс, поскольку жидкий солнечный свет в будущем сможет обеспечить людей, живущих в космосе, основными химическими веществами, энергией или даже пищей. Например, атмосфера Марса состоит в основном из CO2, а еще там в изобилии присутствует замороженная вода. Поскольку наша чистая реакция – это:

СО2 + вода + солнечный свет = химические вещества / топливо + кислород,

то для нас вполне естественно было бы задуматься о сокращении выбросов СО2 на Земле, а также о производстве химикатов и топлива в космосе. Эти фотосинтетические биогибриды потенциально могли бы создавать химические строительные блоки, из которых астронавты смогут производить критически важные припасы и оборудование для выживания в дальних космических полетах.

- Как можно расширить применение нанопроволоки в энергетическом секторе? Существуют ли другие отрасли, где ее можно было бы использовать?

Пэйдун Ян: Полупроводниковые нанопроволоки, по определению, обычно имеют наноразмерное поперечное сечение, а в длину составляют от сотен нанометров до миллиметров. Эти субволновые структуры представляют собой новый класс полупроводниковых материалов для исследования генерации, распространения, обнаружения, усиления, модуляции, а также преобразования и хранения энергии. После двух с лишним десятилетий исследований нанопроволоку теперь можно синтезировать и собирать с определенным составом, гетеропереходами и архитектурами. Это привело к появлению множества фотонных и электронных устройств на основе нанопроволоки.

Нанопроволока также представляет собой важный класс наноструктурных строительных блоков для фотогальваники, а также для прямого преобразования солнечной энергии в топливо благодаря большой площади поверхности, регулируемой ширины запрещенной зоны и эффективного переноса и сбора заряда. Так, еще в 2008 году мы обнаружили, что кремниевая нанопроволока может значительно повысить термоэлектрические характеристики по сравнению с объемными аналогами. Эти массивы кремниевых нанопроволок продемонстрировали отличные перспективы в качестве высокоэффективных масштабируемых термоэлектрических материалов для рекуперации отработанного тепла на электростанциях, нефтеперерабатывающих заводах и в автомобилях.