Воздух для космонавта
3 мин чтения
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. 

Если у Вас возник вопрос по материалу, то Вы можете задать его специальной рубрике Задать вопрос Памятник мужеству Далее в рубрике Памятник мужествуВ Красноярск доставят ленд-лизовский «Дуглас», совершивший аварийную посадку в тундре почти 70 лет назад Читайте в рубрике «Религия» Успенский постТрадиция, значение и строгость последнего летнего поста Успенский пост
Подписывайтесь на канал rusplt.ru в Яндекс.Дзен
Подписывайтесь на канал rusplt в Дзен
Комментарии
Авторизуйтесь чтобы оставлять комментарии.
Дискуссии без купюр.
Читайте «Русскую планету» в социальных сетях и участвуйте в обсуждениях
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!