Как бактерии вытеснят платину

Это всем известный водород, «рождающий воду» (хоть по-русски, хоть на латыни) – элемент номер один в таблице Менделеева. Самый легкий газ и наиболее распространенное вещество во Вселенной. На земле содержится в составе воды и органических соединений. Чрезвычайно горюч и тем самым хорош при использовании в качестве топлива, чем и воспользовались изобретатели на заре автомобилизации, приводя свои первые повозки в движение двигателями, работающими именно на этом газе. Было это в начале XIX века. Потом победили бензин и солярка, и про водород забыли вплоть до 70-х годов прошлого столетия, когда нефтяной кризис и ухудшающаяся экологическая обстановка заставили ученых и изобретателей всего мира «морщить лбы» в поисках других источников энергии. Отметился в этом направлении и СССР: в разгар «застоя» бегали по городам Союза экспериментальные «жигули», «москвичи», «Волги», микроавтобусы и прочие грузовики, работающие на водороде или его смеси с бензином. И еще интересный факт: в годы Великой Отечественной войны двигатели газиков и лебедок, которые управляли аэрос­татами воздушного заграж­дения в осаж­денном Ленинграде, заправляли не дефицитным бензином, а водородом из потерявших «летучесть» оболочек. Подобные автомобили выпускаются и в наши дни, причем чаще это «би», то есть двухтопливные машины, работающие как на бензине, так и на водороде. Но гораздо интереснее не сжигать взрывоопасный газ в цилинд­рах двигателей, а соединять его с кислородом в топливных
элементах, получая электричес­кий ток для вращения колес. И хотя небезызвестный Илон Маск, глава Tesla Motors, производящей «батарейки на колесах», и называет топливные элементы (fuel cells) fool cells (элементами одурачивания), многие миллиарды инвалюты вложены в их совершенствование.

Platinum

Платина применяется в топливных элементах, которых придумано несколько разновидностей. Но наиболее подходящими для автомобилей оказались те, в которых используется протонная мембрана, по обе стороны от которой располагаются анод и катод. На анод поступает водород, а на катод – кислород (он берется из воздуха). На аноде водород при помощи катализатора разлагается на протоны и электроны. Протоны проходят через преграду и попадают на катод, а электроны отдаются во внешнюю цепь (мембрана их не пропускает). Полученная таким образом разность потенциалов приводит к возникновению электрического тока. На стороне катода протоны водорода окисляются кислородом. В результате получается водяной пар, который и вылетает в выхлопную трубу. Обладая высоким КПД, РЕМ-элементы (так их называют) имеют существенный недос­таток: для их работы требуется чистый водород, получение и хранение которого является серьезной проблемой. Другой недостаток – катализатор, вернее, материал, из которого он сделан. Это платина, металл дорогой, а запасы его не бесконечны. Поэтому лучшие умы ищут альтернативу. Например, российские химики из Новосибирского гос­университета и Института неорганической химии получили твердый раствор кобальта и иридия, который существенно дешевле драгоценного металла, но действует, как утверждают, не хуже. А если говорить о такой могущественной корпорации, как Toyota, то в ее недрах родилось несколько сотен патентов на эту тему, которые недавно были выложены в открытый доступ. Но «драгметалл» остается катализатором номер один, а автомобиль Toyota Mirai благополучно выпускается уже пятый год и находит своих покупателей, хотя стоит недетские 60 000 USD, что в два раза дороже популярной Camry, близкой к нему по размерам. Выпускают водородные авто и другие фирмы, например, Honda и Hyundai. Что же касается инфраструктуры, то в Европе и США уже существует какая-никакая сеть водородных заправок.

Synechococcus elongatus

Это цианобактерии. Из тех, что способны к фотосинтезу. Из тех, что миллиарды лет тому назад сотворили кислородную атмосферу на Земле. Чей геном был полностью расшифрован. И которые играют ключевую роль в стартапе под названием HydroPlat, которым занимаются студенты Назарбаев Университета. Их 15 человек: будущие биологи, химики, инженеры, физики, «айтишники». В основном 3-й курс. Руководитель – доктор Махбуб. Он специалист в облас­ти нанохимии. Разговариваю с лидером команды Атабеком Бекташем и Айданой Толешевой, которая продвигает бизнес-идею.

Айдана вводит в курс дела: HydroPlat – это водород и платина. Генномодифицированные цианобактерии позволят получить материал с каталитическими свойствами, который существенно снизит количество платины в топливном элементе либо и вовсе ее заменит.

– Цианобактерии – фотоавтотропы, они растут сами по себе, – вступает в разговор Атабек, – им нужны только свет и вода. Выращиваются за неделю-две. Потом готовую биомассу собираем и сжигаем определенным образом. При высокой температуре происходит карбонизация – они твердеют. Образуются гранулы черного цвета. Суть проекта в том, что мы используем биомассу, которая была выращена до этого и которая перерабатывала сероводород, растворенный в воде (отходы нефтепереработки). И сера, которая содержится в биомассе, улучшает свойства материала.

С этого места поподробнее, прошу я. Оказывается, прошлогодний проект вошел в пятерку лучших из 300 участвующих (со всего мира, между прочим!) на конкурсе IGEM, что проводится в далеком Бостоне, а ребята получили золотую медаль. Нынешний проект – это продолжение. Но и это еще не все.

Лидер команды рассказывает, что существуют биореакторы, над которыми они тоже работают. Работают потому, что хотят охватить проблему со всех сторон, применяя цианобактерии других генных модификаций. Фотосинтез использует воду как источник электронов. Во время реакции деления образуются протоны, цианобактерии модифицированы таким образом, что могут собирать водород.

– Вся красота заключается в том, что у нас есть цианобактерии, которые принесут нам водород, и в то же время они могут собирать серу из воды (отходы нефтепереработки), а после того, как истощатся, их можно сжечь и получить катализатор, – заключает Атабек.

А пока работа продолжается. Получена партия материала, идет тестирование. Нужно оптимизировать технологию получения. Есть большое желание продавать полученный продукт. Студенты говорят, что как только поняли, что проект уникален, решили развивать бизнес-идею, вступив в стартап-инкубатор ABC. Теперь нужно получить патент, но это достаточно долгий и трудный процесс (в университете есть офис коммерциализации). А впереди – новая поездка в Бостон, уже с этим проектом. И кто знает, может, через несколько лет весь мир возьмет на вооружение казахстанские технологии?