Химический первач: зачем ученые превращают воздух в спирт
Технологии извлечения водорода из воды, воды из воздуха и превращения воздуха в спирт и бензин очень скоро станут реальностью. Грэм Хатчинс, профессор университета Кардиффа, объясняет, почему эти открытия изменят мир к лучшему и не приведут к тому, что на Земле начнется "эпидемия" самогоноварения.
Профессор Хатчинс сегодня считается одним из главных экспертов в мире каталитической химии и "зеленого" катализа. Он первым осознал, что наночастицы золота можно использовать для ускорения множества реакций в органической химии, и замены многих высокотоксичных производств. Два года назад он стал лауреатом престижной премии ENI за открытие подобных "зеленых" катализаторов.
На прошлой неделе британский химик, а также множество других известных зарубежных и российских исследователей, выступили с докладами на конференции ChemTrends-2018, проходившей в стенах Института органической химии РАН в Москве. Он рассказал РИА Новости об одном из своих последних открытий, связанных с производством самых "человеческих" органических соединений - метанола, этанола и других спиртов.
Почему вы выбрали именно этот спирт?
- Это сложный вопрос. Дело в том, что метанол можно получать множеством разных путей, и меня всегда интересовали реакции, позволяющие напрямую превращать метан в этот спирт. Сегодня же метанол производится в основном косвенными путями, используя синтез-газ или другие реагенты.
Все это делает заводы по производству метанола и других видов жидкого топлива безумно дорогими. Столь же много денег было вложено и в постройку обычных нефтеперерабатывающих комбинатов, и никому пока не под силу отказаться от этих мощностей и перевести экономику на какие-то другие рельсы.
Метанол может решить эту проблему двояким путем. Многие месторождения газа, в том числе и в России, находятся в самых глухих и далеких от цивилизации уголках Земли, или представляют собой труднодоступные шельфовые отложения, в которых газ "запечатан" внутри пор в горных породах.
Расходы на добычу и транспортировку такого сырья можно заметно уменьшить, если превратить его в жидкое топливо. Вдобавок, метан можно получать, соединяя углекислый газ и водород. Источником первого могут служить выбросы сталелитейных заводов и других промышленных предприятий, а второго - электричество, производимое при помощи солнечных батарей или иных неисчерпаемых источников энергии.
Соответственно, создание технологий, позволяющих легко и дешево превращать этот метан в спирт, позволит нам сделать первый шаг к действительно самодостаточной экономике, не зависящей от доступности ископаемых углеводородов. Как мне кажется, в ближайшие 5-10 лет мир начнет двигаться в этом направлении, и метанол будет играть главную роль в этом процессе. Не опасаетесь ли вы, что Земля сопьется?
- С одной стороны, наш катализатор и его аналоги пока нельзя использовать подобным образом - для их работы необходимо концентрировать и метан, и углекислый газ, что не под силу обывателю. При этом мне кажется, что рано или поздно подобные "самогонные аппараты" появятся.
С другой стороны, никакой необходимости в этом нет, так как на Земле подобные "установки" существуют уже многие миллионы лет. Они называются дрожжи. По сути, они делают все то же самое, что и наши катализаторы - преобразуют один вид органических молекул, сахара, в другой - молекулы этанола и других спиртов.
Конечно, власти всегда пытались запретить или как-то ограничить самогоноварение или нелегальное производство алкоголя, однако это никогда не останавливало людей, и они всегда продолжали варить спиртное.
Недавно я читал историю про одного человека, который работал начальником отделения полиции в Норвегии. Он давно мечтает о том, чтобы власти перестали преследовать любителей "домашнего" алкоголя, так как он проводит почти все время на работе, разбирая самогонные аппараты и преследуя самих самогонщиков.
Я могу сказать, что и тот, и другой способ его производства будет иметь одну общую проблему - при неправильной варке самогона в нем появляются крайне опасные и токсичные примеси, такие как метиловый спирт. Поэтому нельзя сказать, что то или иное будет чем-то лучше другого.
Все это подсказывает мне, что появление таких катализаторов не сильно поменяет картину и не сделает самогон еще более популярным. С другой стороны, я думаю, что если и будут какие-то запреты, то я не думаю, что они остановят любителей различных алкогольных "новинок". Связано ли это с открытием каких-то новых катализаторов или с чем-то другим?
- Мне кажется, и ученые, и бизнес, и государство просто поменяли свое отношение к углекислому газу. В прошлом, мы считали его бесполезными выбросами, от которых следует избавиться максимально быстро. Сейчас же многие люди осознали, что СО2 - это тоже ресурс, а не проблема, которым можно и нужно пользоваться.
Соответственно, теперь мы чаще задумываемся о том, что можно сделать с выхлопами электростанций и заводов, а не просто выбрасываем их в атмосферу. Внезапно, углекислый газ стал ценным ресурсом.
К примеру, Шарлот Уильямс, одна из моих коллег, выступавшая на конференции в Москве, создала предприятие, которое использует выбросы СО2 с электростанций для производства полимеров. Им удается экономить примерно 10-12% нефти и продуктов ее переработки, что уже очень неплохо.
Конечно, помимо экономического интереса, есть и научная сторона этого вопроса. Сейчас мы активно работаем над созданием технологий, которые бы помогали нам извлекать углекислый газ из атмосферы и концентрировать его.
Вдобавок, сами катализаторы, способные напрямую превращать СО2 в метанол, пока не стабильны. Во время их работы возникает агрессивный побочный продукт - обычная вода, из-за чего они быстро разрушаются. Тем не менее, я уверен в том, что нам и другим научным группам удастся решить эту проблему уже в ближайшее время. Мешает ли их внедрению только отсутствие крупных инвестиций и небольшие масштабы применения?
- Конечно, без инвестиций эту проблему решить нельзя, особенно без вложений со стороны государства. Важно понимать, что мы сейчас пытаемся "догнать" углекислый газ, чья доля в атмосфере начала стремительно расти в последние годы. Чем больше времени мы потратим на решение этой проблемы, тем сложнее будет "поймать" и остановить его.
Есть и технологические проблемы, помимо отсутствия "вечных" катализаторов. С одной стороны, некоторые компоненты экономики устойчивого развития, к примеру, производство водорода, мы освоили достаточно хорошо. С другой стороны, есть и "подводные камни", мешающие их воплощению в жизнь.
К примеру, нам нужно как-то решить проблему с производством электричества из возобновляемых источников энергии. Далеко не все регионы Земли подходят для установки ветряков или солнечных батарей. Мы просто не можем покрыть всю территорию Британии или других северных стран подобными электростанциями.
Иными словами, отказ от нефти и газа никак не изменит того, что Британии и многим другим странам придется откуда-то импортировать энергию. Ее источником, к примеру, могут быть центральные регионы Сахары, где всегда светит Солнце и почти никто не живет. Они, как показывают расчеты коллег, могли бы обеспечить энергией и теплом фактически всю Европу.
С инженерной точки зрения, для постройки таких электростанций потребуется клочок земли площадью лишь в несколько квадратных километров, однако подобные планы нельзя реализовать без соответствующей политической воли и международных соглашений.
Поэтому можно сказать, что пока нет ни технологий, ни желания и ресурсов со стороны государств для подобного перехода. Так ли это на самом деле?
- Я лично никогда не сталкивался с подобными проблемами. Я часто взаимодействую с подобными "энергетическими" компаниями, как они сейчас называют себя. Вполне очевидно, что они хорошо понимают, что они не выживут, если продолжат ставить только на один ресурс, запасы которого могут подойти к концу уже в ближайшие десятилетия.
Потенциально неисчерпаемые запасы углеводородов и других видов топлива, как мне кажется, интересуют все подобные компании, и они сейчас вкладывают много ресурсов в их развитие. Это связано так же с тем, что сегодня становится все более очевидно, что электродвигатели и батареи не заменят все двигатели внутреннего сгорания в ближайшие годы. Там, где требуется высокая мощность, нам придется использовать метанол или другие виды жидкого топлива. Когда мне было 19 лет, Нил Армстронг и другие члены экипажа "Аполлона-11" высадились на Луну, а Советский союз построил первую космическую станцию. Все мы думали, что человечество отправится на Марс в ближайшие несколько десятилетий, и до колонизации остается всего ничего.
Но потом программа "Аполлон" была свернута, как и аналогичные советские проекты, и за последующие полвека человечество не совершило ни одного реального прорыва в космосе. Конечно, я не эксперт в этой области, но мне кажется, что мы не стали ближе к Марсу ни на миллиметр по сравнению с 1972 годом.
Если говорить о колонизации планет, то нам придется решить массу проблем - найти источник кислорода, создать среду, пригодную для обитания человека, научиться выращивать пищу. Не думаю, что у всех государств мира сейчас есть деньги на подобные проекты.
Конечно, я всеми руками выступаю за межпланетные путешествия и колонизацию Марса, но я прекрасно понимаю, что я, скорее всего, не доживу до этого прекрасного момента и не смогу посетить эти поселения. С другой стороны, подобные достижения всегда были наглядным примером того, чего может достичь человечество, если собрать волю в кулак и приложить достаточные усилия.
Тем не менее, рано или поздно нам все равно придется это сделать, так как через 200-300 лет человечество может полностью разграбить все ресурсы Земли, если нас до этого не успеют уничтожить бактерии, стремительно становящиеся неуязвимыми к действию антибиотиков.
Микробы, в свою очередь, если посмотреть на историю жизни, уже решили задачу по колонизации целой планеты. Они радикально изменили состав атмосферы Земли, заполнив ее просто гигантским количеством кислорода и стабилизировав ее впоследствии. Может быть, стоит поручить эту задачу не химикам, а микробам?
