Водородная топка микроорганизмов

Так в общих чертах устроена клеточная машина для производства энергии.
Источник: sciencenews.org

Со школьной скамьи все мы помним, что водород, легко отдавая свой единственный электрон, является прекрасным восстановителем. Соединяясь с кислородом, смесь образует гремучий газ, при взрыве которого выделяется приличная энергия и образуется вода. Обратный процесс разложения воды с целью получения водорода довольно затратен в энергетическом отношении. Именно поэтому водородная энергетика никак и не обретет «права гражданства».

И вот, похоже, препятствия, стоящие на пути создания водородной энергетики, преодолены, по крайней мере в эксперименте.

Известно, что различные одноклеточные организмы, часто не имеющие даже клеточного ядра, вот уже на протяжении 3 млрд. лет прекрасно справляются с разложением воды, выделяя из нее столь нужный для их энергетического обмена водород. При этом используется энергия самого настоящего вечного двигателя, каковым является наше Солнце, посылающее к Земле мощные потоки квантов световой энергии (фотонов).

Люди тоже научились улавливать фотонную энергию, но делают это грубо и с низким КПД. Клетки же улавливают и преобразуют энергию фотонов не в пример более эффективно. Для этого в них имеются специальные «антенны» (LHS – Light-Harvesting Systems) – часть довольно сложных фотосинтетических систем с хлорофиллом. Хлорофилл как раз и нужен для улавливания фотонов и их использования для совершения работы по разложению воды. Особый интерес представляет фотосистема термофильных бактерий, белки которых сохраняют работоспособность до 55 градусов, тем самым повышая КПД.

При разрыве связей в молекуле воды под действием энергии света (фотолизе) водородные ионы-протоны, у которых «недостает» электрона, оказываются весьма агрессивны. Известно, что избыток протонов закисляет среду, что мы имеем при добавлении в борщ уксуса или лимона, от которого сворачивается молоко. Для того чтобы протеины клеток не «сворачивались», природа предусмотрительно создала цитохромы, «клеточные краски» в дословном переводе. Главная их функция – перенос электрона от кислородных ионов к протонам водорода. Объединению последних с электроном и «восстановлению» атомов водорода способствует платина, выполняющая роль катализатора.

На самом деле процесс, конечно же, сложнее, но суть его сводится к простой схеме. Наночастицы, содержащие помимо благородного металла фотосистему теплолюбивых бактерий и цитохром, заряжаются энергией от Солнца и начинают продуцировать газообразный водород, который нужно только собрать, что химики научились делать чуть ли не два века назад. Водород генерируется при температурах до 55 градусов Цельсия, и наночастицы сохраняют работоспособность в течение почти трех месяцев (85 дней).

Для любителей точности ученые сообщают, что максимальный выход газа составляет 0,1 миллилитра, или кубического сантиметра, или миллиард миллиардов молекул на миллиграмм хлорофилла! Это количество водорода в 25 раз больше, чем выход газа, получаемого с помощью всех других методов, известных сегодня.

Пока трудно предугадать, приведет ли это достижение нанотехнологии к кардинальной перестройке всего мирового энергетического хозяйства или водородная энергетика станет важной, но все же составной его частью. Не будем забывать, что в свое время водородные дирижабли не смогли составить конкуренции быстро развивавшемуся самолетостроению. Но мы знаем также пример дизельных моторов, которые постепенно стали теснить бензиновые даже в легковых авто. В пользу автомобилей и других механизмов, использующих в качестве горючего водород, говорит и то, что этот газ можно будет производить автономно на каждой заправке, на которую надо будет только время от времени подвозить фотосистемы и ферменты, полученные биотехнологическим способом.