Химия человека. Как железо помогает нам дышать, калий – видеть, и другие секреты периодической табли

Если мы преодолеем самые суровые технологические препятствия, у нас будет то, что по качеству почти соответствует тому, что у нас есть сегодня. В этом есть доля разочарования. Разве будущее не подарит нам летающие автомобили и чартерные рейсы на другие планеты? Для этого нам нужны еще более энергоемкие энергоносители, чем батареи.
Подобной альтернативой способен стать водород. Килограмм водорода содержит почти в три раза больше энергии, чем килограмм нефти. Если смешать два газа – водород и кислород, – чтобы поджечь смесь, хватит крошечной искры – в виде тепла высвободится огромное количество энергии, а кислород и водород превратятся в воду. В особо солнечные дни какое-то количество электричества, вырабатываемого на солнечных электростанциях, можно потратить на то, чтобы разорвать молекулы воды, а образовавшийся водород сохранить и использовать позже. Проблема в том, что этот газ занимает много места. Чтобы сохранить килограмм азота в виде газа, понадобится баллон объемом более 400 литров. В современных водородных автомобилях много энергии тратится на то, чтобы поместить газ в емкость меньшего объема, а в космических транспортных средствах применяют жидкий азот, охлажденный до температуры –253 °C. Чтобы сохранить столь низкую температуру, требуется гигантское количество энергии, потому для личных автомобилей этот вариант не подходит.
Водородные автомобили не сжигают водород в двигателе, а напрямую преобразуют химическую энергию в электрическую в топливном элементе. В большинстве современных топливных элементов есть платина [279] – она помогает оторвать молекулы водорода друг от друга и освободить электроны. Платина – один из самых редких металлов, имеющихся в земной коре, и по большей части ее добывают как побочный продукт на медных и никелевых рудниках. Южная Африка – крупнейший мировой производитель платины и обладает ее крупнейшими запасами. В 2017 году лишь четыре страны произвели сколько-нибудь значительное количество платины [280]. Поскольку в производстве доминирует одна страна, в которой, помимо прочего, регулярно случаются забастовки шахтеров и иные политические беспорядки, платина – один из тех элементов, которые власти многих стран оберегают особенным образом [281]. Следовательно, водород не решит всех наших проблем, хоть и абсолютно точно поучаствует в решении стоящих перед нами энергетических вызовов.
 
Бензин из растений
В процессе роста растения улавливают солнечную энергию, и, чтобы она принесла пользу обществу, ее можно высвободить в наших двигателях и бойлерах. О биоэнергии говорят как о новой возобновляемой энергии, с помощью которой мы вступим в следующую эпоху. Как далеко это решение нас заведет?
Биоэнергия – это вовсе не новость. На протяжении большей части человеческой истории она играла для людей важнейшую роль. Во многих уголках мира использование биоэнергии для производства металла и другой промышленности привело к масштабной вырубке лесов. Это случилось в то время, когда население Земли составляло менее десятой части от сегодняшнего и каждый человек по отдельности потреблял намного меньше энергии, чем мы с вами.
Отходы лесозаготовок и сельского хозяйства как энергоресурс способны привлечь своей дешевизной, но они также являются ресурсом для природных экосистем. Органический материал работает как склад углерода, биологически доступного азота и других питательных веществ, помогает расщеплять вредные вещества в окружающей среде, дает убежище мелким живым существам, обитающим в лесной подстилке, сдерживает наводнения и снабжает нас чистым воздухом, водой и почвой. Если мы заберем из почвы и лесов слишком много органического материала, нам придется тратить больше энергии на внесение минеральных удобрений и заменить те услуги, которые на сегодняшний день экосистемы оказывают нам бесплатно [282].
Отходы от лесозаготовок в бензобак тоже не положишь. Для того чтобы расщепить крупные молекулы древесины и перевести их в энергоемкую жидкую форму, пригодную как топливо, понадобится много энергии. В ископаемых энергоресурсах для достижения того же результата природа использовала высокое давление и температуру, а также потратила миллионы лет.
Легче производить жидкое топливо из растений, которые изначально содержат много масла, например соевого или пальмового, или много сахара – такие как сахарный тростник или сахарная свекла. Однако получим ли мы от произведенного топлива больше энергии, чем затратим на его производство? Топливо понадобится трактору, который вспашет почву и соберет урожай. Энергия также потребуется при производстве семян и удобрений. Семена, удобрения и воду необходимо доставить на поля, а урожай – вывезти. Когда урожай снят, растения необходимо высушить, смолоть, нагреть, пропустить на центрифуге и дистиллировать.
Если богатые энергией растения выращивают на тех территориях, где солнца много, можно получить количество энергии, в 50 раз превышающее затраченную. Большинство видов биотоплива, представленных сегодня на рынке, возвращают нам где-то в 2–5 раз больше энергии. Если говорить о более сложных ресурсах, таких как древесина, мы получаем примерно столько же, сколько вкладываем. В этом случае производство биотоплива превращается в метод переработки «черной» энергии ископаемого топлива в «зеленую», а не способом получения энергии от природы.
Возможно, в будущем нам удастся производить биотопливо, выращивая водоросли в трубах или емкостях на солнечных территориях, хотя на данный момент никому не удалось наладить этот процесс в крупных масштабах [283]. В конечном итоге на эффективность подобных систем накладывает ограничения сам фотосинтез: процесс устроен так, что в виде энергии сохраняется не более 12 % солнечного света, попадающего на растения [284]. На той же самой территории солнечные панели смогут преобразовать напрямую в электроэнергию около 20 % или более [285].