Что вы мне тут заливаете?

Самолеты, работающие на маргарине, биотопливо из дрожжей и кукурузы, консервированная энергия Солнца… Нет, это не рецепты из кулинарного шоу, это разработки ученых, которые могут заменить традиционные углеводороды. Самые интересные изобретения из топливной промышленности отобрал для вас Indicator.Ru.

Запасы нефти не бесконечны, а загрязнение атмосферы и парниковый эффект беспокоят не только экологов. Каждый год в результате деятельности человека в атмосферу выбрасывается 30 миллиардов тонн углекислого газа. Ученые всего мира трудятся над решением этой проблемы, предлагая новые и неожиданные способы получения углеводородов.

Как перестать беспокоиться и превратить выхлопы в топливо

Автор мотивирующих книг Дейл Карнеги советовал делать лимонад, если жизнь подкинула лимон. Но как поступить, если жизнь подкинула парниковые газы? Ответ на этот вопрос предложили канадские ученые из Университета Торонто. Их технология по превращению оксида углерода в топливо в ходе реакции, не выбрасывающей углерод, была опубликована в статье журнала Nature Communications.

Попытки получения топлива из углекислого газа, водорода или воды по своей интенсивности и продолжительности напоминают поиски современного философского камня. Однако из-за химической стабильности диоксида углерода (CO2) было трудно найти достаточно активный и избирательный катализатор — вещество, которое запустит реакцию, способную «разлучить» эти два элемента. При этом катализатор должен был быть достаточно распространенным в природе, доступным в получении, нетоксичным и дешевым в производстве. По данным исследования, всеми этими свойствами обладают нанокристаллы гидрида кремния (соединения кремния с водородом), имеющие средний диаметр 3,5 нанометра.

Кремний — седьмой по распространенности элемент во Вселенной и второй по содержанию в земной коре, он составляет 28% массы нашей планеты. Примером почти чистого оксида кремния является песок, из которого его чаще всего добывают. Нанокристаллы гидрида кремния способны поглощать солнечный свет в ближнем инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазоне. Это позволяет им выступать в качестве мощного неоднородного вещества-восстановителя, отдающего электроны для превращения диоксида углерода (CO2, углекислый газ) в его монооксид (CO, или угарный газ) без выделения вредных веществ и горения. Угарный газ широко используется как промежуточное вещество для получения углеводородов, компонентов топлива, что делает это открытие важным для промышленности.

Также ученые отмечают, что с хранением нанокристаллов гидрида кремния проблем не возникает, и через 11 дней нахождения в темноте реакции проходят так же эффективно.

Солнечный бензин

Солнечными батареями уже никого не удивить: солнце — неисчерпаемый источник экологически чистой энергии. Однако не каждый может поставить солнечную батарею у себя во дворе. И проблема не только в том, что такая установка — дорогое удовольствие, а еще и в том, что далеко не на всех широтах солнце светит всегда, а запасание и хранение такой энергии — задача, требующая больших денежных и трудовых затрат.

Исследование химиков из Лаборатории солнечных технологий в Цюрихе показывает, как тепловая солнечная энергия может быть трансформирована в синтетическое топливо.

Только консервировать «пойманное и закупоренное в бутылки лето» ученые предлагают не в виде вина из одуванчиков, как герой одноименного произведения Рэя Брэдбери. Еще 10 лет назад они предложили способ превращения низкоэнергетических веществ, таких как вода или диоксид углерода, в водород и CO.

Данный процесс происходит в присутствии оксида церия, который при температуре выше 1500 градусов по Цельсию теряет атомы кислорода, а при более низких температурах присоединяет их. Если оксид церия легировать (покрыть тонким слоем родия или никеля), а затем восстановить водородом при температуре 600 градусов Цельсия, полученное вещество может превращать воду и углекислый газ в метан (СH4), который является высокоэффективным топливом. Это укорачивает обычный процесс получения топлива из угарного газа, минуя стадию синтеза Фишера-Тропша (реакция, в результате которой из CО получают углеводородное топливо). Источником нагрева могут служить солнечные лучи.

«Это позволяет сохранять солнечную энергию в форме химических связей. Это проще, чем хранить электричество. Подход основан на принципе, похожем на тот, который используют растения», — сообщает в пресс-релизе соавтор работы, Иво Алхнейт (Ivo Alxneit).

Кишечная палочка-выручалочка и др.

Жидкое биотопливо, которое применяют вместо традиционного горючего или добавляют в него, получают с помощью микробной переработки сахаров из кукурузы, сахарного тростника, клетчатки растений в этанол или другие виды топлива. Но для промышленного производства бактерии или другие микроорганизмы нужно выращивать в ферментерах, поддерживая подходящие для них условия, не давая размножаться там «непрошеным гостям», используя стерилизацию паром или дорогостоящие антибиотики, а затем очищать полученный продукт, что делает такое производство экономически невыгодным.

Исследователи из MIT и Кембриджского университета придумали способ удешевить производство биотоплива, создав штаммы дрожжей и кишечной палочки (Escherichia coli), которые способны получать азот или фосфор (важнейшие питательные элементы) из веществ, которые другие организмы использовать не умеют. Работа была опубликована в Science.

Обычно в качестве источника азота (N) в ферментеры добавляют соли аммония (NH4+), которые могут использовать и нежелательные «захватчики» — например, лактобактерии, подавляющие рост «местного населения» и конкурирующие с ним, но не производящие топливо. Исследователи «научили» кишечную палочку получать азот из меламина (С3Н6N6), редко встречающегося в природе химического вещества, в шесть шагов превращая его в аммоний.

Двум видам дрожжей (Saccharomyces cerevisiae и Yarrowia lipolytica), также используемым для выработки биотоплива, ученые привили гены, с помощью которых эти микроскопические грибы могут получать фосфор (P) из фосфита калия (K2(PHO3)), а один из этих видов, пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae) – еще и получать азот из меламина. Исследователи продемонстрировали, что новые выведенные ими штаммы успешно конкурируют с «захватчиками» и не дают им шансов размножиться в отсутствие необходимых им веществ.

«На крыльях любви к природе»

Такой лозунг могла бы взять одна из авиакомпаний, которые начинают свои первые коммерческие авиарейсы, используя биотопливо для сокращения влияния на окружающую среду.

Первый самолет австралийской компании Qantas, заправленный смесью из 50% обычного авиационного топлива и 50% переработанного кулинарного жира, совершил рейс из Сиднея в Адеалиду в апреле 2012 года. «Мы должны быть готовы к будущему, не основанному на традиционном авиационном топливе, иначе будущего у нас не будет», — прокомментировал это событие президент авиакомпании.

В январе этого года несколько самолетов на биотопливе, полученном из масличных культур, поднялись в небо в Норвегии. В марте биотопливо начали использовать для коммерческих рейсов из аэропорта в Лос-Анджелесе, а через месяц биотопливо на основе изобутилового спирта стала использовать компания Alaska Airlines.

В настоящий момент совершено уже более 2500 коммерческих рейсов с использованием биотоплива.

Однако заправка баков самолетов биотоплива в чистом виде для авиакомпаний пока недоступна, поскольку такое топливо производится в недостаточных масштабах и в нем не хватает важных компонентов, которые придают ему нужную маслянистость, не дают поглощать воду, закипать и замерзать во время полета. Такими компонентами обычно выступают насыщенные углеводороды — алканы с линейной и разветвленной и циклической структурой, а также ароматические углеводороды (молекулы которых содержат кольцевые структуры).

Несмотря на это, к 2050 году авиационная индустрия надеется снизить выбросы углекислого газа вдвое по сравнению с 2005 годом.