Мир в основном использует полезные ископаемые, такие как углеводороды, для выработки электричества и получения тепла. Возобновляемая энергетика в тренде, но и у нее полным-полно минусов. Ветряки, например, зависят от прихотей природы, потому требуют накопителей энергии либо балансирующих мощностей. В роли последних чаще всего выступают… газовые турбины, которые включаются в пиковые часы. Атомной энергетике нужны огромные капиталовложения, и она окружена флером радиофобии. Ученые и изобретатели пытаются найти альтернативные источники энергии. Что из этого получается — в материале «Энергии+».
Химические реакции в живых организмах, если максимально упростить описание механизма, представляют собой череду обменов электронами или ионами. Теоретически, на определенной стадии преобразований можно внедрить электроды и «воровать» эти носители заряда. Например, поместить контакты в живую ткань, биологические жидкости или бактериальную среду — главное, как можно ближе к области, где протекают нужные реакции с наибольшим электрическим потенциалом.
В 2020 году международная группа исследователей университета Неймегена в Нидерландах создала экспериментальную установку, в которой бактерии вырабатывали электричество из сточных вод. Процесс базировался на комплексе реакций под названием анаммокс — это недавно открытый химический процесс, обеспечивающий круговорот азота в природе.
Одно из последних исследований коллектива того же университета подтвердило возможность прямого преобразования метана (природного газа) в энергию. Ученые искали способ изучать электрическую активность микроорганизмов. Конструкция, которую они собрали для своих экспериментов, по сути, была полноценной батарейкой. В ней культура с преобладанием анаэробно окисляющих метан архей Candidatus Methanoperedens nitroreducens переработала метан в электричество с эффективностью всего в несколько процентов. Способы получения энергии бактериями выглядят перспективными, но главная их проблема — чрезвычайно низкий КПД.
Трудно найти интересующегося наукой и техникой человека, который хотя бы раз в своей жизни не проникся идеей «термояда». Уж слишком пьянящей выглядит перспектива обуздать процессы, протекающие в недрах звезд. Радиофобия в данном случае не страшна — ионизирующее излучение, даже при аварии реактора, будет незначительным. Первые разработки в этой области недавно разменяли восьмой десяток, но практического эффекта до сих пор нет. Лучшие ученые умы планеты с переменным успехом продолжают попытки решить проблему.
Состоит проблема в следующем: физика плазмы — едва ли не самая трудная область современной науки. Каждый эксперимент требует многочисленных сложнейших вычислений (то есть самых мощных суперкомпьютеров). После проведения опытов образуется колоссальное количество данных, часть из которых вынуждает физиков модифицировать модели. И снова проводить вычисления, эксперименты, просить денег на новые установки. При этом прогресс к заветному управляемому термоядерному синтезу идет совсем маленькими шажками, на каждый из которых приходится несколько новых трудностей.
Тем не менее, поток новостей о рекордах удержания плазмы или о ее нагреве до максимальной температуры исправно поступает каждый год. Для их воплощения в едином эксперименте строится, возможно, самая дорогая установка в истории человечества — токамак ITER. И для умеренного оптимизма в отношении этого начинания есть некоторые основания. Вычисления для термоядерной физики научились ускорять на несколько порядков, а плазму зажигают лазерами так, чтобы энергетический «выхлоп» реакции был положительным. Но до использования такой энергии в быту пока еще очень далеко.
Нет, речь пойдет вовсе не об ужасных картинах из культового фильма «Матрица» — нашпиговывать людей проводами никто не планирует. В 2014 году на конференции Американского химического общества был представлен похожий на временную татуировку пластырь, способный вырабатывать электричество из пота. Чтобы он работал, носителю нужно подвергаться физической нагрузке.
Изначально исследователи хотели сделать датчик, позволяющий в реальном времени отслеживать эффективность спортивных тренировок. Для этого планировалось измерять концентрацию молочной кислоты — основного метаболита глюкозы в мышцах при интенсивных нагрузках. Частично она выделяется вместе с потом, чего достаточно для мониторинга. Метод анализа следующий — молочная кислота при помощи энзима разлагается до пировиноградной кислоты. В ходе процесса выделяются электроны, которые и фиксирует датчик.
При создании экспериментального устройства выяснилось, что этого количества электронов вполне достаточно для питания полноценных гаджетов: мониторов сердечного ритма, фитнес-браслетов, а в перспективе — даже смартфонов.
Идея получила альтернативное развитие в сентябре 2021 года — американские исследователи разработали пластырь, работающий на основе эффекта Виллари — изменения намагниченности материала под действием механических деформаций. Такой пластырь вырабатывает электричество буквально за счет движений человека: достаточно даже незначительной пульсации кожи над крупными сосудами из-за сердцебиения. Потенциальная сфера применения — носимые устройства, медицинские датчики, маломощная потребительская электроника, однако автомобиль при помощи этой энергии, пожалуй, и с места не сдвинешь.
Иногда развитие науки и техники дарует вторую жизнь канувшим в Лету изобретениям. Одним из примеров можно считать двигатель Стирлинга с внешним подводом тепла. Изобретенный более века назад агрегат показал чрезвычайно низкую эффективность. В наши дни он используется либо в игрушках, либо в холодильниках (инвертированный), либо там, где КПД менее важен, чем простота устройства и надежность работы. Чтобы запустить его, необходима лишь разница температур, например, достаточно тепла от человеческого тела и окружающего воздуха для охлаждения. Чем градиент выше, тем эффективнее работает установка.
При тщательном подборе свойств рабочего тела и термостойких материалов, а также максимально точном изготовлении деталей двигатель Стирлинга вполне имеет право на жизнь: такие тепловые машины предлагаются учеными для выработки электричества в ядерных реакторах Kilopower, которыми разработчики хотят оснащать космические аппараты.
Китайские ученые пару лет назад придумали и затем усовершенствовали процесс, который отдаленно похож на то, что происходит в листьях растений. На входе предлагаемая система потребляет солнечный свет, воду и углекислый газ. Электролизом получают водород с кислородом, затем первый направляют в реактор. Там под действием температуры и света на катализаторе углекислота превращается в метан и метанол. Их уже можно использовать в качестве легко хранимого топлива для выработки электричества, обогрева или передвижения техники в отсутствие света. Как и двигатель Стирлинга, технологию пока рассматривают лишь для иноземного применения. Но если ее эффективность удастся довести до теоретически возможной, она могла бы пригодиться где-то в труднодоступных регионах нашей планеты.
Инженеры и ученые по всему свету усердно работают над необычными источниками тепла и электричества, а новый способ получения энергии организмами появляется буквально в каждом выпуске тематических научных изданий. Многие технологии кажутся работоспособными, но лишь некоторые из них смогут найти реальное применение в жизни, и лишь единицы станут коммерчески успешными и конкурентоспособными.
На сегодняшний день более надежного и массового способа получать тепло и электричество, чем использование соединений углерода, пока нет. Однако это не означает, что мир стоит на месте: нефтяная и газовая отрасли постоянно развиваются и становятся все более экологичными и эффективными.