Воздух для космонавта
Фото: Sandra Cunningham / YAY / TACC

Фото: Sandra Cunningham / YAY / TACC

Искусственные листья позволят строить автономные станции на других планетах

Сбывается давняя мечта ученых — специалистам удалось создать прототип «искусственных листьев», которые помогут людям строить обитаемые станции на других планетах. Материал зеленого цвета, подобно настоящим растениям, способен поглощать солнечный свет, превращая при этом углекислый газ в кислород. Правда, работают «листья» недолго, всего несколько часов. Искусственный фотосинтез тем привлекательнее, что он позволит автономно обеспечивать космические станции не только кислородом, но и дешевым горючим.

Большинство космических кораблей летает по принципу «все свое ношу с собой»: кислород, необходимый для дыхания космонавтов, берется в полет с Земли. Это логично: большинство пилотируемых миссий длится не так уж долго — от одного дня до двух недель. Но с постоянно обитаемыми космическими станциями этот вариант не пройдет — баллонов не напасешься. Например, на МКС кислород получают с помощью кислородных генераторов, расщепляющих воду посредством реакции электролиза. Однако этот способ довольно затратен: прежде всего, приходится доставлять все новые объемы воды, а взрывоопасный водород, выделяющийся в ходе реакции, сбрасывать за борт. Обитатели будущих станций на Луне или Марсе едва ли смогут позволить себе такую роскошь — расщеплять драгоценную воду. Следовательно, им нужен способ получать кислород из углекислого газа — этот процесс можно повторять бесчисленное число раз, не расходуя никакого невосполнимого ресурса.

То, над чем ученые бьются уже не первое десятилетие, эволюция сумела сделать еще миллиарды лет назад: бактерия, научившаяся использовать фотосинтез для получения энергии и в дальнейшем ставшая предком всех растений, овладела способностью расщеплять углекислый газ на кислород и углерод. Казалось бы, чего проще? Надо только научиться имитировать фотосинтез. И тут начинаются почти неразрешимые проблемы: фотосинтез кажется нам, людям, чем-то простым и очевидным лишь потому, что способностью к нему обладает целое царство живых существ. В действительности биологический механизм, который позволяет осуществлять этот процесс, исключительно сложен. Попытки создать искусственный фотосинтез, предпринимаемые с самого начала ХХ века, до самого недавнего времени заканчивались провалом. Дело в том, что углекислый газ обладает одной из самых прочных молекул, а кислород вдобавок является сильнейшим окислителем. Можно, например, сжечь в углекислом газе кусочек магния, восстановив из газа углерод, но кислород при этом образует оксид магния, и его придется выделять уже из нового соединения. Разложить углекислый газ с той же легкостью, с которой возможно расщепить воду, не выходит: чтобы получить кислород, в любом случае придется использовать какие-то промежуточные соединения, например углекислоту. Все эти способы исключительно затратны.

Не мудрствуя лукаво, исследователи сперва попытались использовать природу в своих целях, заставив обладающие хлоропластами бактерии трудиться в чане, производя кислород. Но опыты с бактериями показали недостаточную надежность метода. Создать сбалансированную экосистему крайне сложно: бактерии то слишком быстро размножаются, загрязняя воду продуктами своей жизнедеятельности и в конечном итоге готовя себе самим погибель, то, наоборот, чахнут в неблагоприятных условиях. Ставить жизни космонавтов в зависимость от этих прихотливых существ попросту опасно: случись что с бактериями, новых из воздуха не сделаешь, с Земли не привезешь. Нужны именно искусственные материалы, которые стали бы аналогами растений.

Но, кажется, в экспериментах ученых случился прорыв: инженерам Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Университета Иллинойса (Чикаго) удалось разработать материал, способный преобразовывать углекислый газ (диоксид углерода) в угарный (монооксид углерода). Побочным продуктом этой реакции служит вода, которую можно разлагать на кислород и водород хорошо знакомым способом электролиза, а сам угарный газ в дальнейшем превращать в различные горючие вещества, например метиловый спирт. Таким образом, «листья» будут давать одновременно и кислород, и горючее.

Любопытной особенностью изобретения является то, что принцип действия «искусственных листьев» во многом подобен работе настоящих листьев растений — поверхность материала преобразует энергию фотонов для получения пар электронов, чей отрицательный заряд позволяет им попадать в положительно заряженные микроскопические отверстия. Здесь они реагируют с молекулами воды. Возникающие в ходе реакции частицы взаимодействуют с углекислым газом, давая в итоге монооксид углерода. Если растения используют для расщепления углекислого газа органические катализаторы — энзимы, то ученые применили металлическое соединение — селенид вольфрама, который в виде нанопылинок подается в ячейку, где происходит реакция.

Примечательно, что в мечтах о покорении космоса ученым, возможно, удалось создать изобретение, которое приживется и на Земле: «искусственные листья» будут снабжать человечество дешевым и экологически чистым горючим, а заодно эффективно удалять из атмосферы парниковые газы, которые заводы и двигатели автомашин ежегодно выбрасывает в атмосферу миллионами тонн. Правда, у «искусственных листьев» пока что есть один, но очень важный недостаток — материал теряет работоспособность всего за несколько часов. Словом, ученым есть над чем поработать. 

Памятник мужеству Далее в рубрике Памятник мужествуВ Красноярск доставят ленд-лизовский «Дуглас», совершивший аварийную посадку в тундре почти 70 лет назад

Комментарии

Авторизуйтесь чтобы оставлять комментарии.
Интересное в интернете
История, политика и наука с её дронами-убийцами
Читайте ежедневные материалы на гуманитарные темы. Подпишитесь на «Русскую планету» в соцсетях
Каждую пятницу мы будем присылать вам сборник самых важных
и интересных материалов за неделю. Это того стоит.
Закрыть окно Вы успешно подписались на еженедельную рассылку лучших статей. Спасибо!
Станьте нашим читателем,
сделайте жизнь интереснее!
Помимо актуальной повестки дня, мы также публикуем:
аналитику, обзоры, интервью, исторические исследования.
личный кабинет
Спасибо, я уже читаю «Русскую Планету»