Летом прошлого года учёные обнаружили, что уровень углекислого газа в атмосфере Земли достиг рекордного за всю историю наблюдений значения — 421 часть CO2 на миллион частей воздуха. Казалось бы, ничтожная величина (всего-то чуть более 0,04%), но даже при столь малой концентрации этот газ влияет на климат всей планеты, вызывая парниковый эффект и разогревая нижние слои атмосферы, где и обитает человечество.
Всё идёт к тому, что цели, зафиксированной в Парижском соглашении по климату, достичь так и не удастся. А именно — удержать потепление в рамках 1,5°С по сравнению с доиндустриальным периодом. Выбросы CO2 продолжают расти, и никакие «зелёные» переходы, предусматривающие полный отказ от них, ситуацию быстро не исправят. А если потепление происходит не по вине человека, а по естественным причинам, то тем более! В самом деле, как мы можем повлиять на солнечную активность или вулканические процессы в недрах Земли?
Закачать под землю недостаточно
Углекислого газа в атмосфере стало слишком много, это факт. Учёные давно придумывают идеи, как уменьшить его объём. В 1970-е годы предлагалось извлекать его из воздуха и складировать на дне океанов. Тогда для этого не было подходящих технологий, теперь же они появились и успешно реализуются: CO2 удаляют из воздуха и закачивают под землю, в горные породы. Это умеют делать и в странах Запада, и в России. Проблема в том, что этот газ когда-нибудь может вернуться в атмосферу — его нельзя считать полностью извлечённым из круговорота веществ в природе.
Так что вытащить CO2 из воздуха и закачать его куда-то под землю или на дно океана недостаточно — хотелось бы «упрятать» его как-то более надёжно. И для этого учёные предлагают необычные решения — делать из углекислого газа разнообразные материалы и товары. Например…
…пластик
Команда химиков из Корейского института передовых технологий под руководством инженера Санг Юп Ли обнаружила, что бактерия Cupriavidus necator, обитающая в почве, способна превращать углекислый газ из воздуха в полезный биопластик. Исследование опубликовано в журнале в Microbial Cell Factories.
Как отмечают учёные, их открытие решает сразу две проблемы: очищает воздух от излишков CO2 и создаёт пластик (материал, используемый повсеместно) не на основе нефтепродуктов, а альтернативным, экологически более чистым способом. «Технологии, которые мы выработали, смогут стать основой для достижения углеродной нейтральности в будущем», — заявляют исследователи.
На первом этапе CO2 превращают в твёрдый материал — формиат. На втором помещают его в резервуар, заселённый бактериями. Те приступают к работе и в результате ферментации накапливают гранулы биоразлагаемого полиэстера. Остаётся извлечь его. По словам учёных, за пять дней масса биопластика достигает 83% массы сухих клеток бактерий.
«В рамках первого эксперимента наша система проработала 18 дней, за это время удалось получить 1,45 грамма пластика. Может показаться, что это мало, но, если учесть скромные размеры нашего производства, это хороший показатель, — признаётся Санг Юп Ли. — Нам нужно время, чтобы масштабировать технологию. В будущем мы сможем делать нужные и полезные вещи буквально из того, что выдыхаем».
По словам корейского исследователя, он с коллегами намерен отыскать другие бактерии, которые взаимодействуют с газами не менее эффективно, чем Cupriavidus necator. Возможно, считает он, удастся наладить производство разных видов пластиков, что позволит человечеству слезть с нефтяной иглы хотя бы в производстве полимеров.
…топливо
Впрочем, та же почвенная бактерия позволяет вырабатывать из углекислого газа метанол, используемый в качестве топлива. Такие исследования проводились в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. Учёные генетически модифицировали штамм этих микроорганизмов и, применив электричество, полученное с помощью солнечной батареи, синтезировали из CO2 биотопливо. Проект финансируется министерством энергетики США, и эксперты поговаривают, что в будущем под него отдадут существующую инфраструктуру для замены нефти в качестве транспортного топлива.
В принципе, идея производить бензин из углекислого газа путём химической реакции высказывалась ещё в начале XX века. Правда, технология эта слишком энергозатратная — она требует высоких температур и давления. Тем не менее, прогресс не стоит на месте: пару лет назад команда учёных из Китая и США применила нетепловую плазму (газ комнатной температуры с заряженными частицами), которая помогла им получить топливо из CO2. Так что и это направление имеет перспективы.
…бетон
Традиционно бетон делают из цемента, процесс изготовления которого сопровождается большими выделениями CO2. По оценкам экологов, 7-8% от общего количества всех антропогенных выбросов углекислого газа приходится на производство именно этого стройматериала. Бетон в современном строительстве незаменим. Зато заменима технология его производства, причём она меняет знак экологического воздействия на противоположный — с минуса на плюс.
В случае с бетоном, сделанным из углекислоты, процесс идёт в обратную сторону: CO2 не выбрасывается, а наоборот, становится частью изготовленного материала. Иначе говоря, в бетоне сохраняют присутствующую там углекислоту и к ней ещё добавляют газ, извлечённый из воздуха или собранный из промышленных выбросов различных предприятий. Оказывается, это только улучшает свойства строительного материала: он становится более твёрдым, прочным и долговечным.
Сейчас экологичный бетон пытаются внедрять в строительстве в Канаде, Финляндии. А в Дании прибегли к помощи всё тех же вездесущих бактерий. Учёные взяли гены коралловых полипов (морских беспозвоночных, строящих под водой своеобразные «здания» — известковые рифы) и перенесли их микробам. Теперь модифицированные бактерии улавливают из воздуха CO2 и с его помощью создают карбонат кальция — тот самый известняк, из которого делают цемент.
Пока эта технология испытана только в лаборатории. Для масштабирования производства нужно повысить устойчивость бактерий для промышленного применения и решить некоторые другие проблемы.
…еду, сироп и водку
Всё чаще можно услышать об экзотических проектах по производству из воздуха продуктов питания и товаров массового потребления — например, кроссовок. Правда, дело тут, пожалуй, не столько в реальной заботе об экологии, сколько в маркетинге — это привлекает внимание потребителей. Но как знать, может, за какими-то идеями действительно будущее?
В Финляндии уже несколько лет пытаются наладить производство мяса из содержащихся в воздухе газов — азота, водорода, кислорода и углекислоты. Дело в том, что любой белок состоит из этих химических элементов (в случае с CO2 речь об углероде). Учёные местного университета разработали довольно простую технологию изготовления из них питательной смеси. Правда, и тут не обошлось без бактерий. Они питаются выделенными из воздуха газами, а из них потом получают порошок, насыщенный белком и внешне похожий на сухое молоко. Из него можно делать заменители почти всех мясных и молочных продуктов.
Сейчас финская компания строит фабрику для отработки технологии. В будущем планируется производить 1 млн тонн смеси в год, что, по словам учёных, должно обеспечить едой 5 млн человек.
В Нидерландах работают над созданием технологии, преобразующей углекислый газ в сахарный сироп. Его тоже собираются добавлять в продукты питания. В США уже продают парфюм и санитайзеры, произведённые из атмосферного CO2, и даже предлагают попробовать полученную таким же способом водку. На изготовление одной бутылки уходит примерно 0,2 кубометров газа, но цена продукта, прямо скажем, кусается: ёмкость 0,75 литра продают за 75 долларов. Впрочем, из любви к защите окружающей среды кому-то таких денег будет и не жалко.
…лекарства
А что же в России? У нас активно разрабатывают технологии по улавливанию CO2 из воздуха и его захоронению. Это объяснимо: полтора года назад глава государства заявил, что страна будет стремиться к углеродной нейтральности не позднее 2060 г., так что потенциал у этого рынка огромный. А вот о планах наладить из углекислого газа производство каких-то товаров или материалов пока не слышно. Хотя любопытные идеи появляются.
Совсем недавно группа учёных опубликовала в журнале Chemical Science результаты своего исследования. Они смогли получить из газообразных отходов сталелитейной промышленности важнейшее лекарственное средство — парацетамол.
Химики использовали конвертерный газ, который является побочным продуктом металлургического производства. Обычно его сжигают, превращая в углекислоту и отправляя её в атмосферу миллионами тонн. Но оказалось, что газ можно применять в фармацевтике. Используя доступные катализаторы и воду, учёные с его помощью получили известное жаропонижающее средство — парацетамол, а также 14 других важных органических соединений, среди которых противогрибковый препарат бутенафин.
«Мы надеемся, что предложенный нами подход позволит удешевить производство важных фармацевтических соединений и сместить фокус работы химиков на разработку как можно более простых систем», — сказал руководитель проекта, старший научный сотрудник Института элементоорганических соединений РАН Олег Афанасьев.