Много дыма из ничего: выхлопные газы превратят в топливо

При сжигании ископаемого топлива отхода образуется диоксид углерода. Как и прочий мусор, почти весь выбрасываемый СО2 попадает в атмосферу и вызывает изменения климата, а небольшое количество вещества оседает на землю. Но ученые задумались – что если попытаться переработать диоксид углерода и снова заставить его работать?

Сейчас в лабораториях по всему миру исследователи бьются над решением этой задачи. Помимо желания помочь природе, у ученых есть неплохой финансовой стимул. Фонд X Prize заплатит $20 млн команде, которая к 2020 году придумает технологию для переработки СО2, выделяемого из дымовых труб угольных или газовых электростанций, в полезные продукты.

Высшая цель исследователей – придумать такую технологию, которая позволит превратить продукт сжигания топлива в новое топливо. Теоретически, если это будет сделано в больших масштабах с использованием возобновляемых источников энергии или даже солнечного света, больше не будет никаких выбросов и потерь. Те же молекулы углекислого газа будет выделяться, захватываться и перерабатываться в новые виды топлива, затем снова выделяться, перерабатываться и так далее, бесконечно.

Пока углекислый газ используется при производстве некоторых удобрений и специальных пластмасс, но эти процессы далеко не всегда являются энергосберегающими. Дело в том, что почти все компании при производстве используют диоксид углерода из природных подземных резервуаров. Если все смогут перейти на выбрасываемый в воздух углекислый газ, его количество сократиться до 0,5% вредных выбросов. Сейчас ежегодно в воздух в результате деятельности человека выбрасывается около 32 млрд тонн углекислого газа.

Картина рисуется идиллическая: если все получится, мир очистится от десятков тонн вредных выбросов. Однако разработка устройств, которые смогут эффективно и экономично преобразовывать большое количество углекислого газа, потребует преодоления многих препятствий. Как минимум, для разделения молекул вещества потребуется источник энергии. Также есть проблема масштаба: сейчас люди в лабораториях работают с пробирками, и нужно найти способ, как перейти от миллиграммов к мегатоннам.

В Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли группа исследователей под руководством доктора Этуотер пытается имитировать то, что растения делают с помощью фотосинтеза. Ученые хотя хотят взять СО2 и воду и, используя только солнечный свет, превратить углекислый газ в топливо. Исследовательский центр начал работу над этой задачей в 2010 году, первые пять лет были посвящены одному из аспектов фотосинтеза — расщеплению воды на компоненты, водород и кислород.

Исследователи создали чип, состоящий из полупроводникового материала, катализаторов и мембран, и заключили ее в прозрачный контейнер с водой. Когда чип подвергается воздействию света и пузырьков газа — водорода с одной стороны, кислорода с другой — он начинает подниматься. Согласно расчетам, такой чип примерно в десять раз эффективнее, чем типичный завод, который использует только около одного процента от солнечного света, попадающего на него.

В настоящее время центр работает над второй частью уравнения фотосинтеза. Ученые хотят интегрировать обе части уравнения в устройство, которое, возможно, будет очень похоже на панели солнечных батарей. Однако оно будет вырабатывать не электроэнергию, а топливо. Возможно, это будет метанол, который может быть использован сам по себе как источник энергии или преобразован в бензин.

Расщепление диоксида углерода — гораздо более трудоемкий процесс, чем расщепление воды, он состоит из шести этапов, каждый из которых требует энергии и катализатора. В природе это, кажется, происходит без особых усилий, но для улучшения эффективности этого процесса потребовались миллионы лет эволюции.

В лаборатории пока тестируют разные методы, основанные на использовании различных оксидов металлов. Но в результате получаются побочные продукты, которых нет в природном процессе. Сейчас задача исследовательской группы --создать устройство, которое будет производить только один продукт, как это происходит в естественном процессе фотосинтеза, но делать это более эффективно. Кроме того, устройство должно работать в течение многих лет, как и панели солнечных батарей — крепкий орешек для умов инженеров и конструкторов.

Есть и другие исследовательские группы и стартапы, которые работают над преобразованием СО2. К примеру, компания Sunfire, базирующаяся в немецком Дрездене, построила прототип устройства, которое производит синтетическую сырую нефть из углекислого газа и воды. Такая сырая нефть может быть использована в дизельном топливе. В 2015 году в Audi использовали такое топливо для краткосрочной заправки одного из своих автомобилей.

«Мы используем электричество, а не солнечный свет, поэтому нужно сделать так, чтобы электричество поступало из возобновляемых источников, иначе это не решит проблем экологии. Кроме того, учитывая, что требуется большое количество электроэнергии, производство топлива пока не может конкурировать по цене с традиционными ископаемыми видами топлива, над этим еще предстоит поработать», — говорит директор по технологиям Sunfire Кристиан фон Олсхаусен.

Еще одна группа молодых ученых в Беркли основала стартап Opus 12. В компании занимаются над разработкой устройства для преобразования углекислого газа, которое будет питаться от электросетей. Их идея состоит в том, чтобы использовать способность СО2 быть преобразованным во многие различные продукты, в зависимости от катализатора реакции. Сейчас ученые трудятся над разработкой подходящих катализаторов.

В своей небольшой лаборатории ученые распыляют тестируемые катализаторы на небольшую мембрану, с использованием модифицированного аэрографа. Мембрану с нанесенным покрытием затем помещают в прототип реактора. Этот прототип размером со смартфон, но более толстый. Мини-реактор подключен к источникам углекислого газа, воды и электричества. После того как реакция произошла, продукты реакции тщательно анализируются. Правда, пока информация о том, что получается в результате хранится в тайне.

В течение следующих полутора лет компания будет работать над увеличением реактора: для начала его доведут до размера посудомоечной машины. Этого будет достаточно, чтобы начать получать доход от продажи переработанных веществ небольшим нишевым производствам. Второй шаг – избавиться от необходимости подключать реакцию к электричеству, перейти на использование возобновляемых источников энергии, чтобы снизить стоимость производства.

Предполагается, что в обозримом будущем Opus 12 будет располагать таким реактором, который сможет перерабатывать тонны диоксида углерода в день в топливо или другие продукты. Этого все еще мало для планеты, но достаточно для небольшой компании. В ближайшие пять лет перед подобными исследовательскими лабораториями стоит задача придумать идею, а перенес ее в большие масштабы – это вопрос времени.