≈сть ли альтернатива электроэнергии как универсального ее вида

≈сть ли альтернатива электроэнергии как универсального ее вида

¬сем известна легенда о ѕрометее, похитившем небесный огонь и давшем его люд€м. — тех пор на прот€жении тыс€ч лет энерги€ огн€ €вл€лась главной дл€ человечества. Ќачина€ с приготовлени€ пищи до освещени€ помещений и их обогрева. — годами по€вились тепловые электростанции, преобразующие энергию огн€ в электрическую. Ќо в любом случае это был огонь. —жигание нефти и газа – сжигание, а не что-то иное – оп€ть-таки основано на использовании огн€. ¬опрос, а может ли цивилизаци€ получать и запасать энергию, огн€ не использу€, как бы даже не ставитс€.

јльтернатива электричеству

„еловек, который первым пон€л, насколько универсально можно использовать в цивилизации электроэнергию (энергию электромагнитного пол€), был абсолютным гением.   сожалению, нам неизвестно им€ этого человека. »стори€ энергетики, как ни странно, во многом покрыта мраком.  то сделал решающий вклад в развитие современной энергетики, во многом остаетс€ не€сным. ѕо-видимому, решающий прорыв был совершен венгерским физиком “еслой, умершем, кстати сказать, в нищете.

ќднако использование электроэнергии имеет недостатки, главный из которых – электроэнергию нельз€ запасать, как, например, уголь. Ќапротив: в углеводородах энерги€ может хранитьс€ многие миллионы лет. —оздание аккумул€торов, даже таких, которые позвол€ли бы всего-навсего двигатьс€ автомобилю, €вл€етс€ проблематичным. “ем более проблематично запасти электроэнергию достаточную, чтобы, скажем, автономно в течение года обогревать дом: такие проблемы даже не став€тс€.

явл€етс€ ли электроэнерги€ универсальным видом, который должен обеспечивать стратегическое существование человечества в будущем? ¬ значительной мере наверн€ка это так. Ќо не во всем. Ёлектроэнергию в больших объемах необходимо потребл€ть сразу – что €вл€етс€ существенным недостатком. ≈сть ли альтернатива электроэнергии как универсальному ее виду, обеспечивающему энергией цивилизацию? Ѕезусловно.

Ќа земле существует универсальное преобразование энергии, кардинально отличающеес€ от всех ее видов использовани€ человеком сегодн€. ¬ живой природе принципы получени€, преобразовани€ и использовани€ энергии абсолютно иные. ќни основаны на химических реакци€х. Ќачина€ с поглощени€ кванта света в процессе, именуемом фотосинтезом. ѕри этом суммарное количество энергии, производимой фотосинтезом на земле, превышает мощность всех электростанций во много раз. — помощью биохимических процессов in vivo осуществл€етс€ все или почти все, что сегодн€ делает человек. ¬ результате процессов, которые называют биохимическими, живые существа двигаютс€, вид€т, слышат, мысл€т, наконец.

ƒл€ осуществлени€ всего этого в живой природе имеетс€ одно универсальное топливо – глюкоза. ѕроизводные глюкозы, и только они (или, чтобы на вс€кий случай быть более аккуратным: почти только они), обеспечивают энергетику всех видов растений и животных вот уже на прот€жении 4 млрд. лет. ”ниверсальность и посто€нство, которые поражают! » заставл€ют задуматьс€: а нельз€ ли на тех же принципах, на которых энергетика существует in vivo, построить и энергетику, используемую человечеством?

Ёлектрохими€ живого

—овременна€ техногенна€ цивилизаци€ получает, хранит, распредел€ет и утилизирует энергию абсолютно не так, как эти процессы осуществл€ютс€ в живой природе. ќценки показывают, что энергопотребление в биоценозе на пор€дки (как минимум в 10 раз) превышает энергию, утилизируемую человечеством при сжигании природных энергоносителей (нефти, газа и угл€). ѕри этом не только отдельные организмы, но и биоценоз в целом наход€тс€ в глобальном балансе с природой.

”ниверсальным первичным источником энергии в мире живого €вл€етс€ солнце. ѕоглощение квантов света осуществл€етс€ в фотосинтезе, в результате которого синтезируетс€ глюкоза. ƒл€ длительного хранени€ энергии глюкоза преобразуетс€ в свои производные: в растени€х в ветв€щуюс€ (дендримерную) молекулу альфа-глюкозы (крахмал), у животных в дендример альфа-глюкозы – гликоген.  роме того, стволы и ветки деревьев более чем наполовину по массе состо€т из линейной формы бета-глюкозы – целлюлозы.

 рахмал накапливаетс€ в клетках растений. Ёти молекулы образуют запас питательных веществ, в то врем€ как молекулы мономеров глюкозы не откладываютс€ про запас, а либо преобразуютс€ в полимерные (линейную целлюлозу, или дендримерную – крахмал и гликоген) формы, либо быстро расходуютс€.  рахмал содержитс€ в больших количествах во всех зерновых злаках, а также в картофеле. ¬ промышленности глюкозу получают гидролизом крахмала. ќбща€ масса крахмала, синтезируемого в течение года in vivo, оцениваетс€ в сотни миллиардов тонн.

√ликоген – главна€ форма запасани€ углеводов у животных. √ликоген – полисахарид, откладывающийс€ в виде гранул в цитоплазме клеток и расщепл€ющийс€ до глюкозы при недостатке ее в организме. √ликоген запасаетс€ больше всего в печени (до 6% от массы печени) и в мышцах (пор€дка 1% массы мышц).

÷еллюлоза – это клетчатка, главный строительный материал растительного мира, образующий клеточные стенки деревьев и других высших растений. ¬ состав одной макромолекулы крахмала входит от нескольких сотен до нескольких тыс€ч звеньев, а в состав молекулы целлюлозы – свыше 10 000 звеньев. ÷еллюлоза образует волокна, которые придают растению жесткость и прочность. “ак, волокно целлюлозы прочнее, чем стальна€ проволока такого же диаметра.

÷еллюлоза, крахмал и гликоген имеют одинаковую химическую формулу (C6H10O5)n. ќднако физические и биологические свойства их существенно отличаютс€. ¬ организмах они утилизируютс€ разными ферментами.

√ликолиз, цикл  ребса и ’емиосмосис

—огласно современным воззрени€м, утилизаци€ энергии, запасенной в углевородах, осуществл€етс€ в три этапа, каждый последующий из которых осуществл€етс€ только как результат предыдущего.

√ликолиз – анаэробное превращение глюкозы в пируват, в результате которого производитс€ ATP.

јэробный процесс окислительного фосфорилировани€ (также называемый циклом  ребса), сопр€женный с конечным продуктом гликолиза, пируватом, путем его окислени€. Ќа этом этапе производ€тс€ дополнительные молекулы AT‘ и, кроме того, NADH, €вл€ющийс€ универсальным переносчиком электронов в клетке (а также FADH2).

’емиосмосис (chemiosmosis), происход€щий в мембранах митохондрий, контролируетс€ несколькими ферментами при участии NADH и FADH2, приводит к образованию дополнительных молекул AT‘.

¬ результате этих трех процессов из одной молекулы глюкозы производитс€ до 38 молекул ј“‘.

AT‘ богата энергией потому, что содержит две фосфоводородные св€зи.  огда эти св€зи рвутс€, освобождаетс€ энерги€, котора€ может использоватьс€ в метаболизме. Ёнерги€ гидролиза одного фосфата освобождает 30 кƒж/моль, разрыв второго фосфата освобождает еще 30 кƒж/моль.

ј“‘ посто€нно потребл€етс€ организмом. «а сутки в организме человека потребл€етс€ примерно 40 кг AT‘, в то врем€ как обща€ масса AT‘ в организме человека пор€дка 50 г. AT‘ никогда не хранитс€ долго: за сутки она может совершить сотни и даже тыс€чи циклов. ѕри усиленной работе расход AT‘ составл€ет до 500 г/мин. —уммарна€ масса произведенного в организме AT‘ за сутки может в несколько раз превысить массу животного, хот€ в каждый момент времени в организме этого универсального энергетического вещества имеетс€ в сотни или даже тыс€чи раз меньше этой величины.

ѕо типу функционировани€ пара AT‘–Aƒ‘ – это двухтактный молекул€рный двигатель, который после каждого цикла возвращаетс€ в исходное состо€ние. ‘ундаментальное отличие двигателей in vivo от двигателей внутреннего сгорани€ или турбин состоит в том, что они: а) работают при температуре среды, б) с контролем за функционированием каждой молекулы, в) безотходно и г) намного более эффективно и экономно.

√люконика как индустри€

¬ мире живого энергетика состыкована с множеством процессов, обеспечивающих жизнеде€тельность.

¬ то врем€ как поколени€ технологий в ключевых област€х промышленности в начале XXI века смен€ютс€ каждые несколько лет, жива€ природа исключительно консервативна. ќдни и те же биологические механизмы, раз созданные, функционируют практически без изменений во всех организмах миллиарды лет. ‘отосинтез, гликолиз, цикл  ребса, хемиосмосис и работа мышцы €вл€ютс€ неизменными универсальными механизмами.

ћожно ли создать двигатели, работающие по тому же принципу, что и мышцы? Ѕесспорно. Ќепреодолимых технологических трудностей нет. Ќазвание новой области энергетики – глюконика – представл€етс€ наиболее правильным и естественным. ƒаже если дл€ этого потребуетс€ (условно говор€) 100 млрд. долл. и 20 лет международных усилий, они окуп€тс€. “ак как мышцы функционируют: а) при комнатной температуре, б) исключительно эффективно и в) наход€сь в балансе с природой, не выбрасыва€ в атмосферу – и организм – никаких отходов вообще!

“о же относитс€ ко множеству других механизмов в живой природе, в которых используетс€ универсальное топливо: глюкоза и ее производные.

—амо собой разумеетс€, глюконика – комплексна€ проблема. ѕодобно тому, как дл€ развити€ электроэнергетики необходимо было создать целый р€д св€занных друг с другом систем (генераторов, электромоторов, энергосетей, передающих энергию на большие рассто€ни€, электростанций, трансформаторов и так далее), дл€ создани€ глюконики как индустрии также необходимо будет создать целый р€д технологий, первое поколение которых должно быть завершено более или менее одновременно. ¬от некоторые из них.

1. ѕолучение глюкозы с помощью фотосинтеза не представл€ет проблем, так как на земном шаре в растени€х и в фотопланктоне производ€тс€ дес€тки тыс€ч тонн глюкозы в секунду.

2. ѕеревод глюкозы в формы, способные сохран€тьс€ длительное врем€ и удобные к перевозке или перемещению по глюкопроводам. “акими формами могут быть гликоген, крахмал и другие производные глюкозы. ѕри этом целесообразно использовать ферментативные процессы, существующие в природе.

3. ”тилизаци€ глюкозы, ее разложение до ATP и NADH. Ёти процессы, происход€щие в митохондри€х, а также в цикле  ребса и хемиосмосисе, необходимо выделить в отдельный процесс.

4. «—тыковка» полученной в результате разложени€ глюкозы энергии с технологи€ми. ѕрежде всего такими технологи€ми должны быть превращение химической энергии глюкозы и продуктов ее разложени€ в механическую и электрическую энергии.

¬ природе такие процессы известны. ћышца преобразует энергию, запасенную в гликогене, в механическую энергию. Ёлектрический скат преобразует энергию глюкозы – универсального топлива in vivo – в электроэнергию. ¬озможны и другие формы стыковки, аналогичные тем, которые используютс€ в живой природе. Ќапример, превращение энергии глюкозы в цветовые картины и гаммы осуществл€етс€ в организме хамелеона. ¬оспри€тие зрительных сигналов происходит в глазу. » так далее.

√лобальна€ наноэнергетика

ќсобый интерес представл€ет стыковка гликолитической энергетики с нанотехнологи€ми. ¬ случае, если така€ стыковка будет осуществлена, молекулы, обеспечивающие снабжение энергией, и механизмы утилизации энергии будут иметь одинаковые масштабы – нанометры. Ёто само по себе открывает колоссальные перспективы дл€ технологий. ќсобенно с учетом того, что эти механизмы функционируют в живой природе исключительно эффективно.

ќбычно под глобальной энергетикой понимают создание электростанций, имеющих колоссальные мощности. ѕреми€ «√лобальна€ энерги€» вручаетс€ за физические принципы, ведущие к производству очень больших мощностей в результате того или иного физического процесса. ќднако такое понимание глобальной энергетики представл€етс€ неоправданно узким.

‘отосинтез €вл€етс€ не менее глобальным энергетическим механизмом на земле, чем процессы, обеспечивающие функционирование электростанций. ћощность, производима€ в результате поглощени€ одним квантом света, действительно очень мала. ќднако триллионы тонн фитопланктона и дес€тки миллиардов тонн растений осуществл€ют процесс фотосинтеза колоссальное число раз одновременно, производ€ мощности, превышающие утилизируемые человеком сегодн€ во много раз.

—оздание индустрии глюконики, предлагаемое в насто€щей статье, есть не что иное, как использование уже существующих механизмов запасани€ энергии in vivo в технике. ѕоэтому в перспективе глюконика €вл€етс€ ничуть не менее глобальной энергетикой, чем атомные, тепловые и гидроэлектростанции, по всем показател€м.

ѕереход цивилизации к способам генерации и преобразовани€ энергии, подобным тем, которые осуществл€ютс€ in vivo, €вл€етс€ естественным. Ѕолее того – в стратегической перспективе неизбежным. “акому переходу просто нет разумной альтернативы.

—имбиоз с мертвой природой

—амо собой разумеетс€, создание глюконики потребует значительных финансовых средств и скоординированных усилий всего интеллектуального человечества. ѕеревод энергетики на глюконику – с использованием глюкозы и ее производных в качестве универсального топлива – может зан€ть 20 и более лет. ѕеревод технологий на принципы, подобные тем, которые используютс€ в живой природе, может потребовать и большее врем€, но тоже в масштабах не веков, а дес€тилетий.

ќднако такие усили€ человечества и финансовые затраты окуп€тс€ сторицей. ѕотому что после этого техногенна€ цивилизаци€ сможет развиватьс€ и существовать, наход€сь в гармонии с природой.

ћежду технологи€ми нашего времени и природой существует антагонизм, в то врем€ как между живой и неживой природой – симбиоз. —лово «симбиоз» прин€то употребл€ть только дл€ описани€ взаимодействи€ между живыми организмами. ћежду тем использование этого термина дл€ описани€ взаимодействи€ биоценоза с natura morta (мертвой природой) совершенно оправданно.

∆изнь вписана в неживую природу. ќна не только находитс€ в балансе с неорганическим миром, но и в значительной мере вли€ет на его стационарное состо€ние, установившеес€ на прот€жении ни много ни мало 4 млрд. лет! ≈сли бы жизнь исчезла, состав атмосферы изменилс€ бы очень быстро, а с ним и климат, и температурный баланс, и многие другие характеристики нашей планеты, настроенной как тончайший прибор. “огда изменени€ климата, происход€щие ныне, по сравнению с катаклизмами, которые произошли бы при полном исчезновении биосферы, показались бы незначительными флуктуаци€ми.

 лючевым элементом перехода от антагонизма между техногенной цивилизацией и природой к гармонии между ними €вл€етс€ создание глюконики. Ёто несравненно более перспективно и реально, чем, скажем, водородна€ энергетика. Ќа нее было потрачено более 10 млрд. долл. – и почти совершенно впустую: не случайно финансирование, выдел€емое на эту отрасль, котора€ €кобы придет на смену нефти и газу, – идеологи€, широко разрекламированна€ в конце XX века, – повсеместно сворачиваетс€.

¬ том, что касаетс€ глюконики, ситуаци€ совершенно ина€, потому что эффективность ее использовани€ доказана жизнью в самом буквальном значении этого слова из всех возможных. √люконика – это энергетика будущего человечества, так же как она €вл€етс€ универсальной системой генерации, хранени€ и использовани€ энергии в живой природе.

»спользование в качестве универсального топлива глюкозы абсолютно необходимо дл€ того, чтобы техногенна€ цивилизаци€ существовала тыс€чи, а возможно, и миллионы лет, а не вымерла от нарастающего с каждым годом дисбаланса с природой. √люконике как универсальной энергетике цивилизации нет долговременной альтернативы. ќна будет создана. “аково мое абсолютное убеждение.†

ёрий Ѕорисович ћагаршак - профессор, MathTech, Inc. (New York).

"Ќезависима€ газета" (–осси€)

  • ƒата публикации: 12.12.2012
  • 2533
ќќќ Ђƒ≈Ћќ¬џ≈ —»—“≈ћџ —¬я«»ї
ќтраслевой информационно-аналитический портал, посв€щЄнный энергетике Ѕеларуси. јктуальные новости и событи€. ѕодробна€ информаци€ о компани€х, товары и услуги.
220013
–еспублика Ѕеларусь
ћинск
ул. ул. Ѕ. ’мельницкого, 7, офис 310
+375 (17) 336 15 55 , +375 (25) 694 54 56 , +375 (29) 302 40 02 , +375 (33) 387 08 05
+375 (17) 336 15 56
info@energobelarus.by
ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

191611654
5
5
1
150
150