Энергия из воды и света

Водород - идеальный носитель энергии; водородное топливо имеет большое будущее. Из всех видов топлива он обладает наибольшей теплотворной способностью на единицу массы. Кроме того, водород абсолютно не загрязняет окружающую среду, поскольку единственным продуктом сгорания является вода. Если бы можно было воду разлагать на ее составные части - водород и кислород, то человечество получило бы неиссякаемый источник энергии. Соответствующие ферментативные системы фотосинтеза, существующие в природе, указывают нам на один из возможных путей решения проблемы.

В процессе фотосинтеза зеленых растений в хлоропластах, носителях зеленого пигмента листьев (хлорофилла), разлагается вода. При попадании кванта света на молекулу хлорофилла он передает ей всю свою энергию. Биологическая фотосистема использует эту энергию для расщепления молекулы воды (фотолиз). При этом образуется молекулярный кислород, без которого была бы невозможна жизнь на Земле. Высвобождаемые одновременно электроны и протоны (Н⁺) передаются по цепи белков и ферментов и используются для синтеза НАДФ-Н и НАДФ, т.е. для регенерации коферментов.

Рис. 39. Получение водорода из воды с помощью процессов фотосинтеза (фотолиз воды), искусственных соединений-переносчиков (медиаторов, М) и бактериальной гидрогеназы

Для получения водорода из воды весь процесс после фотолиза воды является, собственно говоря, излишним. Многие научные группы поэтому пошли таким путем. Они выделили из клетки часть фотосинтетического аппарата и иммобилизовали хлоропласты. При освещении таких иммобилизованных хлоропластов, подобно тому как это происходит в клетке, вода расщепляется и выделяется молекулярный кислород. Однако и в этих условиях не образуется молекулярный водород. Поэтому высвобожденные электроны и протоны сначала поступают на вещество-переносчик (медиатор). После этого очень важно связать медиатор с бактериальным ферментом гидрогеназой. Дело в том, что гидрогеназа снимает электроны с медиатора и связывает каждый из них с двумя протонами (Н⁺) в газообразный водород (Н₂).

Пока такие системы функционируют только в лабораторных условиях. Однако за время, прошедшее с 1972 г., когда было осуществлено первое биофотолитическое расщепление воды в бесклеточной системе, удалось достичь значительных успехов. Система, ранее устойчивая лишь в течение 15 мин, в 1980 г. работала уже более 10 часов, при этом количество образовавшегося водорода увеличилось в 10 раз!

В настоящее время для синтеза водорода наряду с бесклеточными системами разрабатываются микробиологические способы. Особенно многообещающими оказались опыты с сине-зелеными водорослями, которые в аэробных условиях расщепляют воду на молекулярный кислород и водород. По оценкам, в тропических районах с большим числом солнечных дней в году и высокой интенсивностью солнечного излучения с одного квадратного метра площади культуры можно будет получить около 28 000 литров водорода в год. Хотя эффективность такой системы составляет 3% и кажется очень низкой, надо учитывать, что для производства ценного носителя энергии в этом случае используют лишь воду, свет и питательные соли.

Очевидно, для условий Средней Европы хорошие перспективы имеют лишь бесклеточные системы, которые функционируют при низких температурах и не нуждаются в прямом солнечном свете. Однако на многие нерешенные сложные вопросы, связанные с получением водорода, должны еще дать ответ фундаментальные исследования. Путем постепенной замены биологических компонентов теми или иными синтетическими катализаторами в зависимости от вида химической модели фермента в конечном итоге должна быть получена стабильная саморегенерирующая система получения водорода из воды.