Возможно,
лучшая альтернатива
для энергоёмкого горючего.
Транспортные средства большой грузоподъёмности, тяжёлая промышленность и другие отрасли в значительной степени зависят от топлива с высокой плотностью энергии, которое не может быть заменено электромобилями. Речь о дизельном горючем. По данным Управления энергетической информации федеральной статистической системы США, в 2022 году по всей стране на дизельное топливо пришлось около четверти транспортных выбросов CO2 и около десятой части всех выбросов, обусловленных энергетической системой. При этом, несмотря на все инженерные успехи и достижения, сокращение как самих выбросов, так и использования этого вида горючего остаются задачами не из простых.
Биоуголь и биодизель могут восполнить этот пробел лишь частично, однако и их производительность ограничена низкой эффективностью фотосинтеза. Тем временем эффективное и устойчивое производство энергии необходимо для смягчения практически любых последствий изменения климата. Глобальный вопрос энергетической безопасности влияет на всё: от экономической и производственной областей до политики, продовольствия и сферы здравоохранения.
Профессора Джошуа Юань из Вашингтонского университета в Сент-Луисе и Сьюзи Дай из Университета Миссури, вместе с коллегами из Техасского университета A&M, применили электрокатализ углекислого газа для создания электробиодизельной смеси, которая в 45 раз эффективнее и использует в 45 раз меньше земли, чем производство биодизеля на основе сои. Результаты их работы опубликованы в Joule.
«Эта новая идея может быть применена в экономике замкнутого цикла для изготовлению топлива, химикатов, материалов и пищевых ингредиентов с гораздо более высокой эффективностью, чем фотосинтез, и с меньшим количеством выбросов углерода, чем нефтехимическая промышленность, — рассказывает профессор Юань, заведующий кафедрой энергетики, окружающей среды и химической инженерии в Инженерной школе Маккелви. — Мы системно подошли к решению проблем в области электробиопроизводства, определив метаболические и биохимические ограничения использования двухатомного углерода, и преодолели эти ограничения».
Исследователи разработали трёхэтапный метод изготовления биотоплива. Сперва посредством электрокатализа команда добилась преобразования углекислоты в биосовместимые промежуточные продукты. Затем получившиеся вещества (ацетат и этанол) были скормлены микроорганизмам, переработавшим их в липиды (жиры, жирные кислоты и жироподобные вещества, содержащиеся во всех живых клетках). И наконец уже эти липиды стали отличным сырьём для «экодизеля».
Получить такой эффект у команды получилось благодаря собственной разработке нового катализатора на основе цинка и меди, позволившего значительно ускорить электрохимическую реакцию. Его преимущество заключается в способности производить двухатомные промежуточные соединения углерода, которые очень по вкусу модифицированному штамму бактерий Rhodococcus jostii (RHA1), известных как раз тем, что они вырабатывают много липидов. Кроме того, этот штамм также повышает метаболический потенциал этанола, что может способствовать преобразованию ацетата, промежуточного соединения, в жирную кислоту.
Этот сложный процесс, объединивший микробиологию и электрохимию, позволил преобразовывать солнечную энергию в молекулы с эффективностью 4,5%, в то время как природный фотосинтез наземных растений, используемых в качестве сырья для производства биодизеля, обычно составляет менее 1%. Другими словами, новый метод почти в 4 с половиной раза превосходит фотосинтез по результативности энергии солнечных лучей в преобразовании CO2 в различные молекулы для роста биомассы растений.
Исследование влияния нового процесса на изменение климата дало хоть и не ошеломительные, но обнадёживающие результаты. Авторы работы говорят, что выпуск электробиодизеля, конечно, не решает проблему загрязнения воздуха углекислым газом, но всё-таки потенциально способен значительно сокращать выбросы.
«Это исследование доказывает концепцию создания широкой платформы для высокоэффективного преобразования возобновляемой энергии в химикаты, топливо и материалы для преодоления фундаментальных ограничений человеческой цивилизации, — подытожил профессор Юань. — Этот процесс может решить проблему нехватки сырья для биодизеля и расширить роль возобновляемого топлива, химикатов и материалов, обеспечив независимость от ископаемого топлива в зависящих от него отраслях — таких, как дальнобойные большегрузы и самолёты».
По материалам АРМК.