Главная
Главная
О журнале
О журнале
Архив
Архив
Авторы
Авторы
Контакты
Контакты
Поиск
Поиск
Федеральный бюджет России на 2019 год
24 ноября 2017 года Госдума приняла бюджет, зафиксировавший экономические макро ...
№19
(352)
10.12.2018
Наука и техника
Зелёные технологии. Обзор новых научно-технических разработок
(№3 [336] 12.03.2018)
Авторы:
 Олег Фиговский, Валерий Гумаров
Олег Фиговский
Валерий Гумаров

     В наши дни мощным фактором, давшим новый толчок прогрессу в направлении растущих потребностей человечества, стало распространение цифровых технологий: 3D-моделирования, 3D-сканирования, объёмной печати и роботизации. Но для того, чтобы инновационный продукт органично вписался в многомерное пространство будущего, на современном этапе развития общества, на первый план выходит экологическая составляющая любой инновации, то есть инновация, помимо всего прочего, должна быть экологически приемлемой. По оценкам многочисленных экспертов экологические технологии, в просторечии называемые «зелёными технологиями», станут лидирующими в развитии мирового хозяйства в XXI веке. Заключения экспертов не на пустом месте появились – в последние годы в условиях реализации стратегии экологически ориентированного роста «зелёные технологии» в цивилизованном мире развиваются ускоренными темпами. Важнейшими стимулами роста служат различные меры государственной политики, а также новые возможности, открывающиеся перед бизнесом на экологическом рынке, который быстро растёт под влиянием спроса со стороны потребителей.

    Смена технологической парадигмы и диверсификация производства в сторону малозатратных, малоотходных, малотоксичных «зелёных технологий» произошла в конце XX века и коснулась практически всех, как уже существующих, так и только разрабатываемых технологий. В связи с этим в развитых странах граждане вместе с правительствами ставят задачу и принимают программы национального и интернационального характера по защите окружающей среды и человека от него самого, осознав, что пришло время спасать планету от нас самих, неразумно, избыточно эксплуатирующих и нагружающих природу. Ответом на эти вызовы явилось новое направление науки и практики под названием «зелёные технологии». 

   Стоит отметить, что не существует единого определения понятия «зелёных» или экологически чистых технологий. Общий подход предполагает достижение их главной цели – снижение негативного воздействия на окружающую среду путём сокращения объёмов потребляемых ресурсов, уменьшения количества отходов вплоть до их полного возврата в производство посредством глубокой переработки, использования в производственных процессах механизмов и принципов, «работающих» в природе, повышения энергоэффективности производства и быта, улучшения свойств материалов с позиции экологической безопасности. 

    Согласно классификации Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), «зелёные технологии» охватывают следующие сферы:

  - общее экологическое управление (управление отходами, борьба с загрязнением воды, воздуха, восстановление земель);

    - производство энергии из возобновляемых источников (солнечная энергия, биотопливо и другое), смягчение последствий изменения климата, снижение вредных выбросов в атмосферу, повышение эффективности использования топлива, а также энергоэффективности зданий и бытовых приборов.

    Если развернуть эту сжатую формулу, то получим, что «зелёные технологии» по существу охватывают все области деятельности человека и нацелены на:

    - устойчивое развитие современного общества для блага будущих поколений с решением глобальных задач: предотвращение истощения ресурсов, налаживание разумного природопользования, улучшение демографии, исключение токсичности производства;

    - производство нетоксичных продуктов по замкнутому циклу: производство – утилизация – новое производство (от рождения до рождения – «cradle to cradle», вместо нынешнего «grave to grave» – от могилы до могилы);

   - максимальное, вплоть до нуля, сокращение отходов за счёт инноваций в технологиях и в структуре потребления;

  - принципиальную модификацию вредных производств и замену их на безвредные с использованием естественных технологий, созданных природой за миллионы лет;

  - замена не возобновляемых природных ресурсов на альтернативные возобновляемые источники сырья и энергии;

   - исключение использования вредных синтетических химикатов в сельском хозяйстве, внедрение биотехнологий в земледелие, животноводство и переработку сельхозпродукции.

   В настоящее время «зелёные технологии» внедряются во всю цепочку деятельности компаний, включая, помимо производства, потребление, менеджмент и методы организации производства, во имя решения глобальных задач по устойчивому развитию современного и будущего общества, а именно:

    - модификация и замена вредных производств;

    - развитие новых альтернативных видов энергии и новых видов топлива;

    - поиск новых подходов к безопасной и доступной пище и воде;

   - защита от загрязнения атмосферы, почвы, пресной воды и мирового океана; 

    - разумное регулирование демографии.

    В целом ряде развитых стран действуют масштабные государственные планы и программы стимулирования разработки экологических технологий и инноваций, создаются специальные исследовательские центры и фонды. Значительным стимулом развития «зелёных технологий» служат стандарты, налоги, субсидии и другие меры государственной политики. Множество программ, направленных на поощрение развития природоохранных технологий, действует в США, а в ЕС в соответствии с седьмой рамочной программой научно-технологических мероприятий в 2007-2013 годы на развитие экологически чистых технологий было затрачено 10 млрд. евро.  

   Тенденцией последних лет становится повышенное внимание к экологическим технологиям со стороны быстроразвивающихся стран. Например, значительные суммы на их разработку выделяются в Китае и Индии. В Китае действуют более 1600 государственных инкубаторов и научных парков, большинство из которых вовлечены в проекты по разработке экологически чистых технологий. Благодаря этому Китай занимает одну из лидирующих позиций в мире по патентам в шести основных областях, включая ветровую энергетику, производство биотоплива и экологически чистое использование угля.

   Основная часть «зелёных технологий» сосредоточена в относительно небольшом числе стран, при этом разные страны специализируются на тех или иных видах технологий. Технологии по борьбе с водным и воздушным загрязнением, по управлению отходами активно развиваются в странах Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР): в Австралии – по борьбе с загрязнением воды, в Дании – по возобновляемой (в первую очередь ветровой) энергетике, в Германии – по борьбе с загрязнением воздуха, в Испании – по солнечной энергетике. Значительный прогресс в разработке «зеленых технологий» отмечается также в странах БРИИКС: Бразилия, Россия, Индия, Индонезия, Китай, ЮАР разрабатывают технологии по управлению отходами, контролю над загрязнением воды и возобновляемой энергетике.

    Важную роль в проведении научных исследований и разработок в сфере «зелёных технологий» играют частные компании (включая малый и средний бизнес), которые рассматривают их в качестве возможности повысить эффективность производства и, как следствие, свои конкурентные преимущества. Значительную активность в этой области проявляют венчурные компании. Один из основных показателей развития «зелёных технологий» – патентная активность. В 2000-е годы значительный рост демонстрировали технологии по смягчению последствий изменения климата. Наибольшими темпами увеличивалось число патентов в сфере возобновляемой энергетики и контроля над загрязнением воздуха. Так, по сравнению с 1997–1999 годами число патентов в сфере солнечной энергетики выросло в три раза. Намного медленнее растёт число патентных заявок в области хранения энергии и переработки материалов. В изобретательской деятельности в области производства энергии из возобновляемых и не ископаемых источников по-прежнему лидируют европейские страны: в конце 2000-х годов на них приходилось 37 % патентов в этой сфере, за ними следовали США и Япония. Китай в этом виде патентов занял восьмое место. В отдельных сферах основными разработчиками выступают другие страны. Например, США имеют ведущие позиции по числу патентов в области производства электрических и гибридных автомобилей, Нидерланды – по энергоэффективности в зданиях и осветительных приборах.

    «Зелёные технологии» – это яркое проявление современного тренда эффективности междисциплинарного подхода для решения сложных задач. Они не заменяют, а соединяют экологию, экономику, социальную технологию, основываясь на всех современных достижениях науки и техники. В 2015 году премию Presidential Green Chemistry Challenge Award получили американская компания Nanotech Industries, Inc. и израильская компания Polymate Ltd. за разработку и освоение производства неизоцианатных полиуретанов и гибридных материалов на их основе. Специалистами израильской компании Polymate Ltd. была впервые создана промышленная технология получения покрытий, монолитных полов и вспененных полиуретанов, не содержащих токсичных и канцерогенных изоцианатов на всех стадиях технологического процесса. Отмеченная наградой работа была выполнена под руководством автора книги, в то время директора по науке и развитию компании Polymate Ltd, профессора Олега Фиговского. В сообщении о получении премии было отмечено: «As a recipient of this prestigious award, you are distinguished at the national level as in innovator in green chemistry».

    В процессе разработки «зелёной технологии» производства покрытий, монолитных полов и вспененных полиуретанов, не содержащих токсичных и канцерогенных изоцианатов, компания Polymate Ltd. разработала несколько новейших технологий, защищённых более 10 патентами США, Европы и Канады. Неизоцианатные полиуретаны получают по реакции олигомерных циклокарбонатов, в том числе на основе растительных масел и олигомерных первичных аминов. Такие полиуретаны обладают высокой прочностью, ударо- и износостойкостью, а также гидролитической стабильностью. Этой же компанией разработана оригинальная технология наноармирования твёрдых материалов (металлов, полимеров, керамики) уникальным методом суперглубокого проникновения. Тематика экологически безопасных (Environment Friendly) промышленных нанотехнологий является основной тематикой исследований Международного нанотехнологического исследовательского центра «Polymate» (Израиль), создавшего более десяти таких технологий, защищённых патентами США. 

    Создание полиуретанов без ядовитых изоциананатов, отмеченное премией президента США Presidential Green Chemistry Challenge Award – отражение нынешнего тренда «зелёной химии»: «Не вместо, а вместе!», что означает разумное применение достижений современной химии вкупе с уже созданными природой технологиями и компонентами. 

    Среди современных сфер разработки «зелёных технологий» ключевой является энергетика. Основные направления её «экологизации» – повышение энергоэффективности и развитие новых источников энергии, в первую очередь альтернативных.

    В то время как большинство концепций альтернативной энергетики не новы, только за последние несколько десятилетий этот вопрос стал, наконец, актуальным. Благодаря совершенствованию технологий производства энергии, стоимость большинства форм альтернативной энергии понижалась, в то время как эффективность росла. Как и со многими другими техническими понятиями имеют место быть некоторые споры касательно того, что означает «альтернативная энергия» и к чему этот термин можно применить. 

    С одной стороны, этот термин можно отнести к формам энергии, которые не приводят к увеличению углеродного следа человечества. Поэтому он может включать ядерные объекты, гидроэлектростанции и даже природный газ и «чистый уголь».

    С другой стороны, этот термин также используется для обозначения того, что в настоящее время считается нетрадиционными методами энергетики – энергии солнца, ветра, геотермальной энергии, биомассы и других способов получения энергии. Такого рода классификация исключает такие методы добычи энергии, как гидроэлектростанции, которые существуют больше сотни лет и представляют собой довольно распространённое явление в некоторых регионах мира. Кроме того, альтернативные источники энергии должны быть «чистыми», не производить вредных загрязняющих веществ. Как уже отмечалось, это подразумевает чаще всего углекислый газ, однако может относиться и к другим выбросам – угарному газу, двуокиси серы, окиси азота и другим. По этим параметрам ядерная энергия не считается альтернативным источником энергии, поскольку производит радиоактивные отходы, которые высокотоксичны и должны храниться соответствующим образом.

   Во всех случаях, однако, этот термин используется для обозначения видов энергии, которые придут на смену ископаемому топливу и углю в качестве преобладающей формы производства энергии в ближайшее десятилетие.

   Строго говоря, существует много видов альтернативной энергии. Опять же, здесь определения заходят в тупик, потому что в прошлом «альтернативной энергетикой» называли методы, использование которых не считали основным или разумным. Но если взять определение в широком смысле, в него войдут некоторые или все эти пункты: 

   Гидроэлектроэнергия. Это энергия, вырабатываемая гидроэлектрическими плотинами, когда падающая и текущая вода (в реках, каналах, водопадах) проходит через устройство, вращающее турбины и вырабатывающее электричество. 

   Ядерная энергия. Энергия, которая производится в процессе реакций замедленного деления. Урановые стержни или другие радиоактивные элементы нагревают воду, превращая её в пар, а пар крутит турбины, вырабатывая электричество. 

   Солнечная энергия. Энергия, которая получается напрямую от солнца: фотовольтаические ячейки (обычно состоящие из кремниевой подложки, выстроенные в крупные массивы) преобразуют лучи солнца напрямую в электрическую энергию. В некоторых случаях и тепло, производимое солнечным светом, используется для производства электричества, это известно как солнечная тепловая энергия.

   Энергия ветра. Энергия, вырабатываемая потоком воздуха: гигантские ветряные турбины вращаются под действием ветра и вырабатывают электричество.

   Геотермальная энергия. Эту энергию вырабатывает тепло и пар, производимые геологической активностью в земной коре. В большинстве случаев в грунт над геологически активными зонами помещаются трубы, пропускающие пар через турбины, таким образом вырабатывая электричество.

   Энергия приливов. Приливное течение у береговых линий тоже может использоваться для выработки электричества. Ежедневное изменение приливов и отливов заставляет воду протекать через турбины назад и вперед. Вырабатывается электроэнергия, которая передаётся на береговые электростанции.

   Биомасса. Это относится к топливу, которое получают из растений и биологических источников – этанола, глюкозы, водорослей, грибов, бактерий. Они могли бы заменить бензин в качестве источника топлива.

   Водород. Энергия, получаемая из процессов, включающих газообразный водород. Сюда входят каталитические преобразователи, при которых молекулы воды разбиваются на части и воссоединяются в процессе электролиза; водородные топливные элементы, в которых газ используется для питания двигателя внутреннего сгорания или для вращения турбины с подогревом; ядерный синтез, при котором атомы водорода сливаются в контролируемых условиях, высвобождая невероятное количество энергии.

   Во многих случаях альтернативные источники энергии также являются возобновляемыми. Тем не менее, эти термины не полностью взаимозаменяемы, поскольку многие формы альтернативных источников энергии полагаются на ограниченный ресурс. К примеру, ядерная энергетика опирается на уран или другие тяжёлые элементы, которые необходимо сначала добыть.

   В то же время ветер, солнечная, приливная, геотермальная и гидроэлектроэнергия полагаются на источники, которые полностью возобновляемые. Лучи солнца – самый изобильный источник энергии из всех и, хоть и ограниченный погодой и временем суток, является неисчерпаемым с промышленной точки зрения. Ветер тоже никуда не пропадает, благодаря изменениям давления в нашей атмосфере и вращению Земли.

   В настоящее время альтернативная энергетика все ещё переживает свою юность. Но эта картина быстро меняется под влиянием процессов политического давления, всемирных экологических катастроф (засух, голода, наводнений) и улучшений в технологиях возобновляемых энергий. Не последнюю роль в ускоренном развитии альтернативной энергетики в наше время играет энергетический кризис.

   Энергетический кризис, в котором находится человечество, имеет две причины. Первая – ограниченность существующих ископаемых энергоносителей. Вторая – загрязнение окружающей среды. И если первая из этих причин носит скорее геополитический характер, чем является реальной нехваткой природных углеводородов на сегодняшний день (разведанных запасов нефти, даже с учетом бурного роста потребления в Азии хватит как минимум на 30-40 лет, природного газа на 80 лет, угля не менее чем на полтора века), вторая грозит возможными катаклизмами (ураганами, изменениями направления океанских течений, таянием льдов, изменением состава атмосферы, глобальным потеплением и изменением климата) в самом ближайшем будущем. При этом возможность фазовых переходов (то есть таких, при которых малые изменения параметров влекут за собой глобальные последствия) отнюдь не исключена  – а каковы критические значения параметров и когда наступят скачкообразные изменения, никто не знает.

   Причина глобальных катаклизмов, как грядущих, так и уже наступающих, лежит в самом характере человеческой цивилизации, которая не вписывается и не пытается вписываться в структуру окружающего мира. Вплоть до XIX века люди жили в несравненно большем балансе с природой, чем после промышленной революции. Природа за миллионы лет создала технологии производства всего того, что необходимо человеку для пребывания в этом мире (иначе б мы тут не жили), но нам ведь надо побыстрее и попроще, чтоб стало побольше да подешевле при наращивании объёмов производства и продаж, да ещё и с нужными потребительскими свойствами.

    Природные технологии по нашему разумению, точнее было бы сказать – недоразумению – чересчур неспешные и заумные, нам невдомёк, мы не хотим выбирать два из трёх: «быстро, дёшево, вкусно» – нам все сразу подавай. Как результат, сегодня множество производств и все возрастающее накопление самых разнообразных отходов делают глобальный дисбаланс цивилизации и природы неизбежным. Энергетика XXI века вносит в дестабилизирующие процессы громадный вклад. Так, в Калифорнии выброс парниковых газов в атмосферу автомобилями составляет приблизительно половину от  общего выброса.  Изобретение паровой машины, а затем двигателя внутреннего сгорания с возможностью превращения энергии пара в электрическую в тысячи раз увеличили количество сжигаемых углеводородов  и  одновременно – выбрасываемых в атмосферу продуктов сгорания. В этом смысле путь от пожара в лесу до локализации огня человеком (на котором можно было жарить еду, обжигать горшки, который отпугивал хищников, обогревал помещения) длиннее, чем от костра в пещере до двигателя автомобиля, а идея-то, в сущности та же.

    Главные надежды в решении острейших экологических проблем (к ним относятся и ресурсные) возлагаются сегодня на технологические прорывы. В последние годы развитые страны переориентируют своё развитие на реализацию стратегии экологически ориентированного роста, одной из главных составляющих которой становятся «зелёные технологии». В этот процесс всё больше вовлекаются и развивающиеся экономики – пришла очередь и нам непосредственно рассказать про технологические прорывы, про достижения инновационных систем, затрагивающие «зелёные технологии». При этом в описаниях «зелёных технологий» обойдёмся без кавычек. 

   Начнём с солнечных и ветряных электростанций. В 2015 году возобновляемая энергетика вышла на первое место по установленной мощности среди всех видов топлива, когда в мире количество ежедневно устанавливаемых солнечных панелей превысило 500000 штук, а в Китае число запускаемых ветряных установок достигло двух в час. На наших глазах происходит беспрецедентная зелёная революция, которая кардинально изменит расклад сил на энергетическом рынке. Темпы установки солнечных панелей бьют все рекорды. И это только начало, ведь стоимость ветряков, а тем более солнечных панелей постоянно снижается.

    «Мы наблюдаем трансформацию глобальных энергетических рынков под влиянием возобновляемых источников» – признал исполнительный директор Международного энергетического агентства Фатих Бирол. Он согласился, что рост частично вызван кардинальным падением цен на оборудование для солнечных и ветряных электростанций. Такие цены как сейчас невозможно было представить пять лет назад. Так, стоимость установки ветровой электростанции с 2010 по 2015 год упала на 30 %, а стоимость солнечных электростанций – в три раза.

   Международное энергетическое агентство прогнозирует дальнейшее снижение стоимости ветряков и солнечных электростанций на ближайшие пять лет: на 15 % и 25 %, соответственно. Судя по всему, это довольно консервативная оценка. Вполне возможно, прогнозы опять придётся пересматривать из-за ещё более бурного роста солнечной и ветряной энергетики. Отчёт Medium-Term Renewable Energy Market Report 2016 посвящён временному периоду с 2015 по 2021 годы. Прогноз на этот отрезок пересмотрен на 13 % в сторону повышения. По оценке экспертов, установленные мощности за данный отрезок увеличатся не на 730 ГВт, а на 825 ГВт. Это связано с принятием более строгого законодательства в США, Китае, Индии и Мексике.

    За 2015 год в мире установлено 153 ГВт мощностей в энергетике. Больше половины из них представляют солнечные станции (49 ГВт) и ветряные станции (63 ГВт). Введено в строй больше мощностей, чем генерируют некоторые страны «большой восьмёрки» ? например, Канада. Солнечные и ветряные электростанции станции добавили за год больше мощности, чем электростанции на угле, газе и ядерном топливе. Такое достижение позволило возобновляемым природным ресурсам обойти уголь и выйти на первое место в мире по установленной мощности. «Установленная мощность» в альтернативной энергетике ? это довольно условный показатель. Солнце не светит круглосуточно, а ветер дует с переменной скоростью в разных направлениях. Поэтому реальное производство электроэнергии из возобновляемых ресурсов гораздо ниже, чем установленные мощности. По этому показателю возобновляемые источники очень сильно отстают. Судя по всему, чтобы обогнать ископаемое топливо по генерации электричества, следует установить в разы больше генерируемой мощности, чем сейчас.

    По данным Международного энергетического агентства за 2015 год, уголь обеспечил 39 % мировой генерации электричества, а все возобновляемые источники, включая ГЭС – всего 23 %. По прогнозу, доля возобновляемых источников к 2021 году вырастет до 28 %. В этом случае возобновляемые ресурсы будут генерировать более 7600 ТВт*ч – больше электричества, чем сейчас генерируют США и страны Евросоюза вместе взятые.

    Отчет Institute for Energy Economics and Financial Analysis (IEEFA) за 2017 год показывает насколько явно КНР стремится стать лидером производства энергии из возобновляемых источников. В опубликованных документах заявляется, что общие инвестиции Китая в проекты производства чистой энергии составили в 2017 году более 44 миллиардов долларов, что существенно превосходит показатель 2016 года – 32 миллиарда долларов. Согласно ведущему автору отчета Тиму Бакли, главе отдела исследований вопросов энергетического финансирования в IEEFA, решение США отказаться от Парижского соглашения стал важным катализатором роста Китая на растущем мировом рынке возобновляемых источников энергии: «Это необязательно должно значить, что теперь Китай заполнит абсолютно все ниши оставленного США лидерства в результате отказа от Парижского соглашения, но это определённо предоставит стране технологическое превосходство и финансовые возможности, позволив доминировать в таких быстрорастущих секторах, как солнечная энергия, электромобили и производство аккумуляторов».

     Для строительства солнечных электростанций (СЭС) требуются солнечные панели, эффективно преобразующие солнечный свет в электричество. И тут китайцы оказываются на острие научно-технического прогресса. Пример тому – разработка крупнейшего производителя тонкоплёночных солнечных элементов компании Hanergy, чья технология преобразования солнечной энергии побила сразу три мировых рекорда по энергоэффективности. По новой технологии дочерними компаниями Hanergy: Alta Devices, Solibro и MiaSole – были созданы три вида панелей: односегментный солнечный модуль GaAs, двойные стеклянные солнечные модули CIGS и солнечные модули CIGS на гибкой подложке, которые имеют рекордную эффективность преобразования энергии в 25,1 %, 18,72 % и 17,88 % соответственно. Эти солнечные панели могут использоваться для беспилотных летательных аппаратов, на крышах домов, в транспортных средствах на электрической тяге и различной электронике. По словам представителей компании, возможности применения их технологии бесконечны, так как она может использоваться практически во всех инновационных областях. В подтверждении своих заявлений компания Hanergy выпустила дрон на солнечных батареях. Без подзарядки он способен находиться в воздухе до 10 часов, тогда как время работы беспилотников, оснащённых только литий-ионными батареями, составляет не более двух часов.

 Одно из многообещающих направлений изысканий эффективных преобразователей света солнца в электричество – тонкоплёночные структуры. В этом разрезе исследовательская группа из Оксфорда предложила новый способ создания тонкоплёночных солнечных элементов, эффективность преобразования энергии в которых превышает 15 %. Устройства создаются на основе материала, известного как перовскит. Солнечные ячейки имеют простую архитектуру и легко могут воспроизводиться в коммерческих масштабах, так как процесс осаждения из парообразного состояния, используемый для их производства, по своей простоте вполне может конкурировать с традиционными методами обработки материалов, применяемыми для создания солнечных элементов. 

    Британские исследователи продемонстрировали, что перовскиты не только поглощают свет, но также могут обеспечивать транспорт электронов и дырок проводимости. Это значит, что использовавшаяся ранее сложная наноструктура не является необходимой для создания сенсибилизированных красителем солнечных элементов. В предложенном ими устройстве поглощающий свет слой перовскита просто зажат между чувствительными к электронам и дыркам электродами. По сути, своей простотой установка во многом напоминает обычные плоские контактные солнечные батареи. При этом устройство обеспечивает высокую эффективность преобразования солнечной энергии в электричество (до 15,4 %), несмотря на толщину всего в 330 нм. Стоит отметить, что устройство также создаёт разность потенциалов в 1,07 В (что более чем в два раза превышает разность потенциалов, создаваемую кремниевыми пластинами толщиной 0,15 мм). Это означает, что для создания солнечных батарей с отличными характеристиками необходимо совсем немного перовскита.

    Фотосинтез в наше время является основой альтернативной энергетики, но он привлекает внимание исследователей и в других сферах деятельности человека, в частности при синтезе новых материалов. Существующие технологии синтеза химических соединений основаны на применении токсичных веществ (в качестве катализаторов) и чрезвычайно энергозатратны. Кроме того, синтез может проводиться только в чистых помещениях, что делает его дорогим, длительным и ограничивает возможности для работы при естественном освещении. Поэтому учёные ищут альтернативные способы катализа химических реакций, например с помощью видимого излучения.

   В природе фотокатализ используется растениями – солнечный свет при участии хлорофилла обеспечивает фотосинтез. Однако до недавнего времени фотокатализ не мог быть воспроизведён искусственно из-за отсутствия подходящих материалов. Американские исследователи разработали такой материал – люминесцентный солнечный концентратор (LCS). С помощью люминесцентных объектов устройство поглощало солнечный свет и перенаправляло его на фотоэлектрические элементы. В своей работе ученые из Технического университета Эйндховена использовали LCSs (в форме листьев), которые были легированы флуоресцентным красителем полидиметилсилоксаном. Поверхность объекта включала в себя сеть микроканалов для ввода жидкости с нужными химическими веществами, и под действием солнечного света молекулы вступали в реакцию. Таким образом, устройство повторяло принцип работы антенн фотосинтезирующих организмов.

   Совместить фотосинтез и получение экологически чистого топлива удалось профессору химии Фернандо Урибе-Ромо из Университета Центральной Флориды, который вместе со своими студентами разработал новый синтетический материал, преобразующий углекислый газ в топливо под воздействием фотонов света. Такой материал решает сразу две проблемы: снижает количество парникового газа и даёт экологически чистое топливо. И самое главное, что для его изготовления не нужны драгоценные металлы. Здесь используется титан, который продаётся килограммами и почти в тысячу раз дешевле, чем платина или иридий. 

  Химизация сельского хозяйства. Борьба за урожайность сельскохозяйственных культур и повышение производительности животноводства, включая яйценоскость кур. Достижения очевидны. Провалы тоже: вырождение плодородия почв, вследствие передозировки удобрений в погоне за все более и более высокими урожаями; переизбыток химии в сельхозпродуктах; загрязнение окружающей среды, для которой рукотворные химические удобрения – инородные тела. 

  Неоспоримым преимуществом применения в сельском хозяйстве биопрепаратов перед химпрепаратами является их экологическая чистота. Продукты, произведённые по биотехнологиям не содержат в себе неестественные химические соединения. В них нет никаких избытков нитратов, фосфатов и прочих «спутников» химизации сельского хозяйства. Кроме того, чёткое соблюдение технологии применения сельхозбиопрепаратов ведёт к повышению урожайности многих сельскохозяйственных культур. Но самым весомым аргументов для потребителей биопрепаратов может оказаться в конечном итоге дешевизна их применения: в расчёте на гектар вложенных средств биотехнологии в несколько раз дешевле химических технологий. 

   Среди сельхозбиопрепаратов можно выделить:

  – биоудобрения, вносятся в почву перед посевом растений и во время их подкормки, обеспечивают повышение урожая сельскохозяйственных культур; 

  - биостимуляторы роста, используются во время роста растений, завязи плодов и созревания урожая;

  - средства борьбы с болезнями и вредителями, применяются при предпосевной обработке семян и в период появления вредителей;

  - средства компостирования растительного материала, используются для переработки растительных материалов, остающихся после уборки урожая и используется для обогащения почвы перед посадкой растений.

   По мнению многих экспертов, будущее принадлежит биологическому земледелию, принцип действия которого – поддержании почвы в жизнеспособном, биологически активном состоянии. Основа биологического земледелия – это активация микрофауны почвы. Почвенно-микробиологические процессы протекают с желаемой интенсивностью лишь тогда, когда их обитатели находятся в активном состоянии.

   В корнеобитаемом слое почвы всегда существует сообщество бактерий, грибов, других простейших микроорганизмов, сложившихся за миллионы лет. Как это ни парадоксально, но основная масса биосферы состоит из этих микроскопических существ. В процессе своей жизнедеятельности они создали и постоянно увеличивают плодородие почв планеты. Среди микроорганизмов, населяющих почву, есть полезные и вредные. В свою очередь, среди полезных микроорганизмов одного и того же вида существуют особи высокой метаболической активности. Такие уникумы и представляют практический интерес. Их выделяют в чистую культуру, изучают полезные свойства, затем комбинируют, создавая консорциумы естественных экологически чистых препаратов. Получаются сельхозбиопрепараты. 

   Химические средства защиты растений подавляют не только вредную, но и полезную микрофлору почвы. В результате замедляются процессы разложения и минерализации растительных остатков. Вынос питательных элементов превышает естественный прирост. Почвы быстро теряют своё плодородие. 

   Для предотвращения дальнейшего оскудения почв разрабатываются сельхозбиопрепараты с уникальными свойствами. К примеру, унификаторы состава почвы и стабилизаторы урожая. Первые приводят состав почвы к стандартному набору микроорганизмов для унификации процесса дальнейшей работы с почвами независимо от климатических зон. Вторые стабилизируют урожай в зависимости от конкретных погодных условий в данный момент в данном регионе: в случае засухи удерживают влагу в почве и поглощают её из атмосферы, в случае дождей поглощают избыток влаги из почвы и непосредственно с сельскохозяйственных культур. Применение биопрепаратов при компостировании растительных остатков позволяет получить органическое экологически чистое удобрение. Безотходные технологии переработки отходов бродильной, маслобойной, сахарной, мукомольной промышленности с использованием биопрепаратов превращают отходы из загрязняющего фактора в высококачественное органическое удобрение или сырьё для получения биологических средств защиты растений.

     Ещё одна «профессия» сельхозбиопрепаратов – рекультивация земель. Вокруг современных крупных предприятий простираются обширные поля отчуждённых нарушенных земель, утративших плодородие. Такие экзотические ландшафты напоминают лунные пейзажи. Это могут быть золошламоотвалы комбинатов, отвалы шахтной добычи рудных и нерудных ископаемых, нефтяные загрязнения различного происхождения. Традиционная рекультивация предлагает следующие приёмы ускоренного возврата нарушенных земель: нанесение плодородного слоя, использование хозбытотходов с последующим запахиванием, внесение торфяной золы.

   Биологическая рекультивация нарушенных земель даёт возможность в момент высева трав-эндемиков обеспечить их семена необходимым и достаточным количеством питательных веществ, нужными группами почвенных микроорганизмов, усваивающих азот из воздуха и обеспечивающих их питание. Фактически при прорастании семян, вокруг корешка формируется свой микроагроценоз. Предварительное и последующее внесение почвоулучшающих и агрополезных микроорганизмов, а также объединение между собой множества микроагроценозов развивающихся растений, приводит к образованию сплошного тонкого слоя гумуса – основы начала формирования нормального плодоносного слоя.

   В результате применения биопрепаратов уже в первый год рекультивации удаётся получить хороший рост трав. При этом резко возрастает численность почвенной микрофлоры, особенно тех групп микроорганизмов, которые активно участвуют в первичном почвообразовании. В результате гумус образуется уже на втором году рекультивации. На третий год его содержание достигает 1,3-1,5%. Без применения биологических методов содержание гумуса к этому времени составляет 0,1%. Затраты на рекультивацию с помощью микроорганизмов, входящих в состав сельхозбиопрепаратов, снижаются в 5-8 раз по сравнению с традиционными методами.

   Сельхозбиопрепараты применяются не только сельхозпроизводителями, но и городскими коммунальными службы: для улучшения условий обитания человека в мегаполисе используются агроприёмы с применением биопрепаратов, обеспечивающие восстановление плодородия почвы и ее биологической активности. В результате улучшаются декоративные свойства растений, возрастает приживаемость саженцев (в 5-7 раз). Снижается расход минеральных удобрений в 2-3 раза, а в отдельных случаях можно полностью отказаться от их применения, кроме того, подавляется фитопатогенная микрофлора.

   Завершая разговор про зелёные технологии в формате сельхозбиопрепаратов необходимо подчеркнуть, что стоимость сельхозбиопрепаратов на порядок выше, чем стоимость тех же химических удобрений, но расход на два порядка меньше. В результате – экономия для сельхозпроизводителей на порядок по сравнению с химическими сельхозпрепаратами. Плюс экологическая чистота сельхозпродуктов. Технология весьма и весьма перспективная, как в сельскохозяйственном аспекте, так и в коммерческом плане, и завоёвывает все новые и новые позиции в сельском хозяйстве развитых стран.

   По мнению учёных, применение нанотехнологий в сельском хозяйстве (при выращивании зерна, овощей, растений и животных) и на пищевых производствах (при переработке и упаковке) приведёт к рождению совершенно нового класса пищевых продуктов – нанопродуктов, которые со временем вытеснят с рынка генно-модифицированные продукты. 

   Рассказ про достижения зелёных технологий не может обойтись без генной инженерии, которая открывает перед человечеством пути решения проблемы истощения ресурсов и настраивает на разумное природопользование.

   В этом плане исследователи из израильского Института Вейцмана научились менять структуру ДНК овощей и фруктов для улучшения их внешнего вида и вкуса. Основные характеристики плодов при этом не меняются. Метод израильских учёных наиболее точный из всех существующих на сегодняшний день и представляет большой интерес для садоводов. До сих пор любые изменения структуры ДНК плодов приносили непредсказуемый результат, так как помимо вкусовых качеств и внешнего вида они случайно затрагивали и другие признаки растений.

   Новый метод построен на принципе гомологичной рекомбинации – способа устранения двух- или однонитевых повреждений ДНК с помощью повторяющегося копирования признаков, который используется клетками чаще всего. Генетики научились использовать этот процесс в собственных целях. Они выбирают необходимую черту и «обрезают» ДНК таким образом, чтобы при естественном восстановлении клетки сами подставили её в молекулы.

   Для показательного эксперимента учёные попытались изменить цвет томатов. Так результат исследования можно было без труда отследить визуально. В результате гомологичная рекомбинация произошла в 14% случаев, что считается высоким показателем точности.

  «Теперь, когда мы показали, что преднамеренно индуцированная гомологичная рекомбинация происходит с такой высокой частотой, садоводы могут начать использовать этот механизм. Метод позволяет не просто редактировать, а переписывать геном растения, чтобы комбинировать необходимые свойства, включая вкус, размер, урожайность и устойчивость к болезням», – отметил профессор Авраам Леви, под руководством которого проходило исследование.

   И немного про «голубую экономику». В последнее десятилетие динамично развивается мощное научно-практическое направление «The Blue Economy» («голубая экономика» или экономика морепродуктов). Этому направлению посвящены сотни публикаций и патентов, разработаны новые технологии, созданы сотни научно-производственных компаний в разных странах. 

   Одним из очень важных направлений «голубой экономики» является глубокая промышленная переработка водорослей из морских, речных, озёрных и искусственных водоёмов с целью получения широкого ассортимента ценных продуктов. Одними из самых массовых продуктов переработки водорослей являются волокна на основе альгината (альгинат – основное вещество водорослей, полисахарид близкий по химическому строению к целлюлозе). Однако, как оказалось в последние годы, из водорослей можно производить разные виды биотоплива и простейшие органические вещества как сырье для более сложных продуктов: масел, биологически активных веществ, лекарств. При этом не надо бурить скважины и забираться в отдалённые уголки планеты, крушить арктический шельф – достаточно водоема под водоросли и солнечного света для их питания и размножения. 

   Наиболее перспективной с точки зрения выращивания и производства различных полезных и ценных продуктов признается вид водорослей Spirulina. Эти водоросли легко выращиваются, дают большой урожай, содержат значительное количество потенциального полезного сырья. Самым прибыльным с учётом конъюнктуры на мировом рынке потребления топлива и реально реализуемым направлением признается выращивание водорослей для производства биотоплива и производство из водорослей различных видов биотоплива. При этом из одной тонны влажной биомассы водорослей можно получить до двухсот литров масла, из которого путём несложных технологий можно будет получать биодизель и ряд ценных органических веществ: триглицериды, жирные кислоты, липиды, углеводороды с длинной цепочкой, углеводы (сахара, крахмал, альгинат), этанол и другие спирты, целлюлозу, другие ценные продукты.

   Эксперты отмечают высокую экономичность получения биотоплива из водорослей в сравнении с другими способами получения биотоплива из растений (рапс, кукуруза, пальмовые плоды и прочее) и предсказывают резкий рост использования водорослей в ближайшие годы. Специалисты оценивают преимущества биотоплива из водорослей по следующим соображениям:

   - топливо потенциально продуцируется прямо в водорослях с помощью солнечной энергии;

     - не нужно занимать площади, занятые под выращивание сельхозкультур;

    - процесс производства легко масштабируется;

   - цены готовой продукции сравнимы с ценами на обычное топливо;

  - экологическая чистота производства.

    В общем, в мире сформировалось мощное перспективное научно-техническое движение – «голубая революция» – эффективное использование растений и животных морей, рек и озёр в различных важнейших направлениях деятельности человека: от изучения механизма функционирования растений и животных водоёмов различного вида до создания новых технологий и продуктов на этой основе (бионика) и «одомашнивание» выращивания водных растений – водорослей для производства из них биотоплива, волокон, углеводов, полисахаридов, продуктов питания, пищевых добавок, лекарств, других ценных продуктов. При этом «голубые технологии» экономичны (солнечная энергия прямо трансформируется в биотопливо и другие ценные продукты) и экологичны (не занимают земельные угодья, не увеличивают содержание углекислого газа в атмосфере).

    В конце нашего небольшого обзора достижений зелёных технологий немного экзотики. Зелёные технологии – зеленее не придумаешь.

   В попытке найти экологическую альтернативу для создания электрических батарей исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде разработали батарею с использованием шампиньонов двуспоровых. Как утверждают учёные, их детище сможет не просто снизить экономическую и экологическую стоимость при производстве батарей, но и привести к созданию аккумуляторов, мощность которых не падает, а наоборот, возрастает с течением времени. Инновационные батареи состоят из трёх основных элементов: отрицательный полюс (катод), положительный полюс (анод) и твёрдый или жидкий разделитель (электролит). В качестве анода в литиево-ионных батареях используется синтетический графит, однако этот материал требует использования агрессивных химических веществ для очистки и подготовки.

   Эти процессы не просто дороги сами по себе. Их побочным продуктом являются опасные отходы, вредящие окружающей среде. Учёные решили использовать грибы шампиньоны как заменитель для графита по двум причинам. Во-первых, более ранние исследования показали, что эти грибы – очень пористые, а это свойство важно при создании аккумулятора (большее количество отверстий позволяет запасать и передавать больше энергии, что повышает производительность). Во-вторых, они содержат много солей калия, а значит, могут привести к созданию батарей, активных в течение долгого времени, по сути, даже повышающих собственную мощность со временем. «С подобными материалами аккумуляторы мобильных телефонов будущего будут не разряжаться быстрее со временем, а напротив, начнут дольше держать заряд из-за активизации пор внутри углеродных структур», – комментирует Бреннан Кэмпбелл, аспирант Калифорнийского университета в Риверсайде и один из соавторов работы.

   Люк Боузер, работающий в университете британского города Лидса, вместе с коллегами задумался над тем, можно ли использовать белки, создаваемые для укрепления скелетов животных, при выращивании новых деталей электроники. Его команда в качестве основы для своей работы выбрала силикатеины – белки, строящие скелеты морских губок. Используя методы размножения ДНК, учёные вырастили миллионы мутаций ДНК, кодирующих силикатеины. Мутации возникали естественным путём во время процесса роста, так что в итоге получилось множество вариантов белков. А это привело к тому, что некоторые силикатеины приобрели способность строить разнообразные минеральные кристаллические структуры. 

   Исследователи из Университета Техаса в Остине создали новый экологически чистый антипирен из вещества, которое содержится в морских мидиях. Существующие антипирены часто являются токсичными и могут накапливаться в течение долгого времени в окружающей среде и живых организмах, включая человека. Огнезащитные добавки включаются в состав современной мебели, автомобильной обивки и многих других потребительских товаров. С течением времени эти химикаты могут выделять токсичные вещества в окружающую среду и оказывать вредное воздействие на здоровье людей. Исследователи обнаружили, что синтетическое покрытие из полидопамина, полученного из допамина, обладает весьма эффективными огнезащитными свойствами. Исследователи считают, что их покрытие можно использовать вместо обычных антипиренов. Было обнаружено, что применение покрытия из полидопамина для пенопластов привело к значительному снижению интенсивности пламени. Возможность огнезащитных покрытий из полидопамина по уменьшению интенсивности пожара на 20% лучше, чем у существующих антипиренов, при этом необходимо относительно малое количество полиподамина для защиты горючих материалов от огня.

   Учёные из Кардиффского университета (Великобритания) придумали инновационный способ добычи водорода из обычной овсяницы, что может сильно повлиять на сферу энергетики в целом. Водород уже давно признан чрезвычайно перспективным альтернативным видом топлива: обладая высоким содержанием энергии, он не выделяет парниковых газов при сгорании. Однако процесс получения этого топлива сам по себе не является экологически чистым, к тому же он дорогостоящий, так как при этом расходуются огромные запасы природного газа и угля. Данные факты заставляют учёных придумывать альтернативные и более безопасные способы получения водорода. Одно из самых перспективных исследований ведётся учёными из Кардиффского университета в Великобритании, которые сотрудничают с исследователями из Королевского университета в Белфасте. В ходе своего исследования учёные разрабатывают эффективный способ получения водорода из целлюлозы с помощью солнечного света и катализатора. По словам исследователей, использование дешёвого катализатора в виде никеля и обычной травы для получения водорода делает из их исследования по-настоящему инновационными.

   Химики из университета Бата синтезировали биопластик, используя вещество, которое содержится в смоле хвойных деревьев. Исследователи надеются, что материал, полученный целиком из возобновляемых ресурсов, будет использоваться как упаковка для пищевых продуктов, а также для создания медицинских имплантатов. Сырьём для производства экологичных материалов, таких как полилактид (полимолочная кислота), служат возобновляемые ресурсы: кукуруза и сахарный тростник. Помимо этого достоинства, полилактиды также обладают хорошей биосовместимостью, что позволяет использовать их в качестве медицинских имплантатов. Однако одним из существенных недостатков полимеров молочной кислоты является их низкая прочность и эластичность. Чтобы сделать полилактид более гибким, к нему добавляют капролактон, получаемый из нефти. Такая добавка делает биопластик не полностью возобновляемым материалом. Теперь химики из Англии заменили капролактон на пинен – вещество циклического строения, относящееся к классу терпенов, которое получают из смолы хвойных деревьев. Именно пинен придаёт ели её характерный аромат. Их работа поможет производить биопластмассу полностью из возобновляемых ресурсов. Пока учёные получили всего несколько граммов экологичного материала, однако химики работают над созданием методики, которая позволит перенести синтез биопластика из лаборатории в масштабное производство.

   В США доктор Малькольм Браун, профессор из Университета Техаса, представил революционный способ «выращивания» наноцеллюлозы, который, по его мнению, является одним из самых важных открытий в биологии растений. Наноцеллюлоза – материал, представляющий собой набор наноразмерных волокон целлюлозы с высоким отношением длины к диаметру. Типичный диаметр такого волокна 5-20 нм, а длина варьируется от 10 нм до нескольких микрон. Материал обладает свойством псевдопластичности, т.е. является вязким при обычных условиях и ведёт себя как жидкость при физическом воздействии (тряске, взбалтывании и т. п.). Удивительные свойства наноцеллюлозы позволяют создавать на её основе сверхлёгкие и сверхпрочные материалы, такие, например, как аэрогель. Метод профессора Брауна гораздо более эффективен и экологически чист. Единственное, что для него нужно – это вода, солнечный свет и водоросли. Учёный «внедрил» выделенные из ацетобактерий гены в сине-зелёные водоросли, заставив их производить наноцеллюлозу. Потенциально, такой способ позволит создавать целые органические заводы по производству материала в промышленных масштабах. Появятся фермы, производящие наноцеллюлозу в больших количествах и недорого, да ещё и с поглощением углекислого газа из атмосферы. Тогда наноцеллюлоза может стать сырьём для производства биотоплива, и станут экономически эффективны многие области её применения.

    Группа биохимиков под руководством Джеймса Ляо из университета штата Калифорния в Лос-Анжелесе создала особый штамм бактерий из рода Ralstonia, которые поглощают углекислый газ и перерабатывают его в бутанол и другие простые спирты, которые можно использовать в качестве биотоплива. Эта бацилла относится к особому классу бактерий, которые могут питаться водородом и не нуждаются в кислороде или в других особых условиях среды для выживания. Ферменты из семейства гидрогеназ – окислителей водорода – являются ключевым элементом микроба для его выживания. Джеймс Ляо и его коллеги вставили в геном Ralstonia eutropha несколько генов, заставляющих ее превращать излишки энергии в бутанол и другие органические спирты. Осталось найти надёжный и безопасный источник водорода – использование чистого водорода было бы крайне опасным занятием, так как любая утечка может обернуться мощнейшим взрывом. Учёные воспользовались тем, что бактерия умеет использовать молекулы муравьиной кислоты в качестве источника водорода. Ralstonia eutropha поглощает молекулы кислоты, расщепляет её на молекулу водорода и углекислого газа и использует первую как «топливо», а вторую – в качестве «стройматериалов» клетки. При этом муравьиную кислоту достаточно легко получить, если одновременно пропускать через воду углекислый газ и электрический ток. По оценке руководителя проекта, такая конструкция позволяет колонии расти, вырабатывает приемлемое количество биотоплива и может применяться для получения биотоплива из электричества, вырабатываемого солнечными батареями, ветряками и другими возобновляемыми источниками энергии.

    В любом деле, в любой информации можно найти рациональные зерна, коли с головой к тому делу или информации подойти. Мозг учёного так устроен, что он во всем ищет ответы на свои вопросы, если тот всерьёз голову над какой-то проблемой ломает. Даже во сне. Даже при чтении ерунды всякой, когда заряд творца на решение вдруг так высветит проблему, что она совершенно в ином свете предстанет, а выход из тупика рядом окажется. Только немного сбоку. Не в том направлении, куда научная рутина затянула. Научные изыскания часто идут параллельными путями. Над одной и той же проблемой бьются пытливые умы сразу в нескольких институтах и лабораториях. Особенно если проблема востребована обществом. 

    Подытоживая сказанное, стоит ещё раз повторить, что одним из важнейших направлений современного развития научно-технического прогресса является смена парадигмы: от экстенсивного к устойчивому развитию с акцентом на максимальное сохранение природы и её самого активного члена – человека, деструктивная активность которого по отношению к природе достигла критического уровня. Антропогенный фактор в нарушении экобаланса со всеми вытекающими из этого негативными последствиями стал доминирующим. В связи с этим в развитых странах общество и правительства ставят задачу и принимают программы национального и интернационального характера по защите окружающей среды. Пришла пора спасать планету от неразумной избыточной эксплуатации её ресурсов человеком. В ответ на этот вызов времени в конце XX века сформировалось и продолжает развиваться в настоящий момент новое направление науки и практики под названием «зелёные технологии», охватывающее практически все сферы деятельности человека. 

   В перспективе ожидается дальнейшее ускоренное развитие широкого спектра экологически чистых технологий. К наиболее острым глобальным экологическим проблемам сегодня относят изменение климата, доступ к качественной воде и другим ресурсам, утрату биоразнообразия, поэтому можно предположить, что развитие технологий будет направлено на их решение. При этом «зелёные технологии» не сводятся к частным случаям. «Зеленые технологии» – это и экологически безопасное сырье, и экологически безопасные конечные продукты, и экологически безопасные технологии производства.

_______________________________ 

© Фиговский Олег Львович, Гумеров Валерий 

 

Крошка-сын к отцу пришел
Комментарий к интервью Никиты Михалкова Юрию Дудю
Она хотела, чтобы свободными были мы
Памяти Людмилы Алексеевой - от редакции, друзей и единомышленников
Интернет-издание года
© 2004 relga.ru. Все права защищены. Разработка и поддержка сайта: медиа-агентство design maximum