Изучение искусственного фотосинтеза набирает скорость

В 2012 году в Японии один за другим были открыты несколько государственных проектов по ускорению изучения и разработки «искусственного фотосинтеза» - технологии мечты всего человечества. Министерство образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии изучает «преобразование веществ с помощью энергии солнечного света путем искусственного фотосинтеза», а Министерство экономики, торговли и промышленности в сотрудничестве с Министерством образования, культуры, спорта, науки и технологий открыло «Проект искусственного фотосинтеза». Проекты координирует начальник Центра исследования искусственного фотосинтеза Токийского университета профессор Иноуэ.

«Формирование международного общества без войн является миссией ученых. Для этого мы обязательно должны осуществить искусственный фотосинтез», - так считает профессор Токийского столичного университета и начальник Центра исследования искусственного фотосинтеза Иноуэ. Этот человек является ведущим специалистом по искусственному фотосинтезу в Японии.

Растения используют солнечную энергию и из воды и углекислого газа производят кислород и органическую материю. Мы сами сделаны из органической материи. Продукты питания тоже являются органической материей. Нефть, уголь, природный газ и другие виды ископаемого топлива, а также их производные продукты нефтехимии, например пластмасса, - все это является органической материей, которая появляется в результате фотосинтеза из растений и водорослей.

Органическая материя может накапливать энергию, которая выделяется путем сжигания. Иначе говоря, в результате фотосинтеза происходит образование вещества, накапливающего энергию, полученную из энергии света с помощью воды.

Искусственный фотосинтез же хоть и не в точности повторяет процесс, происходящий в растениях, но стремится к созданию полезных соединений, богатых энергетическими запасами, из солнечного света, воды и углекислого газа.

Наилучшим результатом будет получение водорода и кислорода путем расщепления молекул воды с помощью солнечного света, как с точки зрения получения энергии, так и с точки зрения круговорота веществ. Если добиться сгорания водорода в реакции с кислородом, то после выделения энергии он обратится в воду, а если заставить водород вступать в реакцию с углекислым газом, то можно создать органическую материю.

Энергетические ресурсы Земли распределены неравномерно, кроме того они исчерпаемы. С другой стороны, энергия солнца практически безгранична, все страны получают ее на равных условиях. Помимо того что искусственный фотосинтез образует органическую материю с помощью углекислого газа, он может напрямую повлиять на оборот СО2. С его помощью можно будет решить сразу две задачи: поддерживать источник энергии и остановить глобальное потепление.

Запуск государственных проектов по изучению искусственного фотосинтеза

Иноуэ ознакомился с идеей искусственного фотосинтеза во время прохождения аспирантуры Токийского университета по курсу инженерии. «Я сразу почувствовал, что искусственный фотосинтез является важнейшей темой, которую нужно осуществить на благо всего человечества», - вспоминает Иноуэ. С тех пор он и занялся исследованием искусственного фотосинтеза.

Однако расщепить молекулы воды и углекислого газа, которые являются крайне стабильными веществами с точки зрения химии, только с помощью энергии солнечного света и превратить их в органическую материю не так легко. Не только Иноуэ, но и большое количество ученых по всему миру в течение многих лет бьются над этой задачей методом проб и ошибок, но до сих пор далеки от ее реализации.

В таких условиях в 2012 году Япония один за другим запустила несколько проектов по ускорению исследований.

Первый проект - это «Преобразование солнечного света в энергетическое вещество путем фотосинтеза» (2012 - 2016 годы) из области новых научных технологий, спонсируемый из бюджета на научные исследования Министерства образования, культуры, спорта, науки и технологий. Этот проект представляет Иноуэ. Второй проект - это «Проект искусственного фотосинтеза» (октябрь 2012 -2022 год) Министерства экономики, торговли и промышленности и Министерства образования, культуры, спорта, науки и технологий. Руководит проектом проректор Токийского технологического института Такаси Тацуми. В особенности второй проект стал беспрецедентно масштабным: он рассчитан на длительный период в десять лет, а в бюджет его заложена огромная сумма в 15 миллиардов иен.

В том же году Иноуэ учредил форум по искусственному фотосинтезу, в котором участвуют исследователи, правительственные деятели в области науки и технологий, представители предприятий, а также простые граждане.

Уже в 2009 году тот же Иноуэ положил начало стратегическим исследованиям Агентства науки и технологий Японии (JST) в проекте «Энергия света и преобразование веществ» (2009-2017 годы), а сейчас изучение искусственного фотосинтеза получило сильнейший толчок для развития.

Предложение нобелевского лауреата Нэгиси

Для такого бурного развития существуют две предпосылки. Первая - это предложение профессора американского Университета Пердью Эйити Нэгиси, получившего в 2010 году Нобелевскую премию по химии.

Изначально Япония лидировала в области изучения искусственного фотосинтеза. В 1972 году ректор Токийского университета наук Акира Фудзисима опубликовал в английском научном журнале Nature доклад об «эффекте Хонды-Фудзисимы», который стал первым доказательством возможности осуществления искусственного фотосинтеза. Количество заявок на патентование результатов исследований за 2006-2010 годы было наибольшим в Японии, на втором месте идет США, на третьем - Китай.

Стоит отметить, что в 2011 году американское правительство заявило, что выделяет бюджет в 10 миллиардов долларов с расчетом на пятилетний срок с целью исследования искусственного фотосинтеза. В Калифорнии был организован Объединенный центр искусственного фотосинтеза, который станет крупнейшей исследовательской базой. Кроме того, в Китае и в Евросоюзе, а также в Южной Корее набирают силу открытые в этих странах проекты.

Нэгиси, почувствовав серьезную опасность из-за такой ситуации в мире, предложил: «В области искусственного фотосинтеза Япония опережает весь мир, поэтому именно она должна добиться практических результатов». Он настойчиво призывал к созданию общей системы, которая бы объединила все институты Японии под руководством правительства страны.

Иноуэ объясняет необходимость ведения проектов под управлением государства следующим образом: «Если удастся добиться практического применения искусственного фотосинтеза, то это станет основанием для новой огромной сферы индустрии. Поэтому необходимо взаимодействие с предприятиями. В этой сфере понадобится построение долгосрочных планов, поэтому никакая корпорация не справится с этой задачей в одиночку. Государство должно возглавить этот процесс, грамотно им руководить, руководствуясь рациональными решениями, и разъяснять задачи перед обществом».

Японские ученые пролили свет на самую большую загадку фотосинтеза

Во-вторых, именно японские ученые в 2011 году пролили свет на самую большую загадку фотосинтеза, над которой билось огромное количество исследователей более 200 лет подряд.

Растения осуществляют фотосинтез в два крупных этапа. Сначала с помощью солнечной энергии осуществляется реакция окисления, забирающая электроны у молекулы воды, затем с помощью этих электронов происходит реакция восстановления СО2, в ходе которой получается органическая материя. Первая реакция называется световой, так как происходит с помощью солнечного света, вторая реакция не использует солнечный свет, поэтому называется темновой.

Схема фотосинтеза

В темновой реакции вещество, образовавшееся во время выделения электронов из молекулы воды, выступает в качестве реагента, а ферменты становятся катализаторами. Уже известно, что они участвуют в восстановлении СО2 и в создании органической материи. Под катализаторами имеется в виду вещества, ускоряющие процесс химической реакции. Они играют ключевую роль и в природном, и в искусственном фотосинтезе.

С другой стороны, процесс световой реакции был понятен только до момента передачи электронов из молекулы воды на молекулу хлорофилла, которая находится в части листьев растений, называемой тилакоидной мембраной, после получения заряда солнечной энергии или фотона. При этом не было известно точное строение этой молекулы во время реакции, играющей ключевую роль в передаче электронов молекулы воды после приема фотона.

Строение молекулы в 2011 году впервые в мире описали профессор Осакского городского университета Нобуо Камия и профессор Шэнь из Университета Фукуоки. Камия и Шэнь успешно кристаллизовали центр реакции и, использовав лабораторное оборудование высочайшего уровня, зафиксировали изображение структуры в пространственном разрешении 1,9 ангстрем (1 ангстрем равняется одной десятимиллиардной метра).

Таким образом, была наконец-то прояснена полная картина фотосинтеза.

На данный момент продолжается исследования по установлению подробного механизма центра реакции: каким образом в действительности происходит выделение электронов из молекулы воды?

На самом деле самая большая задача для исследователей искусственного фотосинтеза состоит в том, как извлечь электроны из крайне стабильной молекулы воды. Именно в этом причина того, что изучение искусственного фотосинтеза никак не продвигается.

Поэтому растут надежды, связанные с серьезным продвижением в работах по искусственному фотосинтезу на основании результатов исследования Камии и Шэня. В июне 2013 года в Осакском университете также был открыт Центр изучения искусственного фотосинтеза. В осуществление искусственного фотосинтеза вкладываются большие усилия.

«Мы хотим как можно скорее первыми в мире осуществить искусственный фотосинтез, распространить это открытие по всей планете. Помимо того что жители всей планеты станут счастливее, Япония получит прибыль от использования своей интеллектуальной собственности», - считает Иноуэ.

Суть в конструкции катализатора, который вступает в реакцию с видимым светом

Итак, если обобщить простыми словами все исследования по искусственному фотосинтезу, то можно ограничиться одной фразой: как подобрать катализаторы для окисления воды и для восстановления СО2? При этом важным моментом является возможность использования «видимого света», на который приходится 40% солнечного света, а не ультрафиолетовых лучей, которых не более 2%.

Ведь в обычном фотосинтезе одним из веществ, играющих роль катализатора, является центр световой реакции с хлорофиллом. Однако центр световой реакции оснащен такой удивительной структурой, что человек просто не может ее повторить. Умные технологии, выработанные растениями за почти 3 миллиарда лет развития, не так просто повторить в искусственных условиях.

Сейчас исследования идут по трем направлениям. Первый подход состоит в способе применения функций растения в первоначальном виде, второй - в использовании «металлокомплексов», третий - в использовании полупроводников в качестве катализаторов.

Первый способ использует функции растений в первоначальном виде: в части световой реакции, в которой растения показали свою высокую эффективность в преобразовании энергии, работают сами растения. Например, из листьев извлекается только тилакоидная мембрана, помещается между прозрачными пластинами, через которые пропускается свет для извлечения электронов из воды. Далее темновая реакция, в которой растения проявляют низкую эффективность преобразования энергии, проводится искусственным путем.

Однако слабая сторона этого способа состоит в трудности поддержания эффективности. Он не может повторить конструкцию растений, которые возобновляют центр реакции с частотой один раз в 30 минут.

Второй способ, в котором в качестве катализаторов используются металлокомплексы, наиболее близок к естественному фотосинтезу. Металлокомплекс - это вещество, которое имеет структуру с центром из атома металла и неметаллическими атомами углерода и водорода вокруг него. Гемоглобин, входящий в состав нашей крови, является металлокомплексом с центральным атомом железа, хлорофилл, играющий роль катализатора в фотосинтезе, является металлокомплексом с центральным атомом магния.

Иноуэ, работавший над этим способом в течение долгих лет, в 1987 году успешно выделил электроны из воды под действием видимого света с помощью металлокомплекса с центром из олова, а также сурьмы. Однако он также подмешивал в воду органическую материю для ускорения реакции, поэтому сейчас он сконцентрировался на конструкции металлокомплекса, который бы реагировал только с водой без внесения подобных добавок.

С другой стороны, чтобы вода окислилась и выделился кислород, необходимо извлечь из молекулы воды как минимум четыре электрона, и обычно для того, чтобы удалить один электрон, требуется один фотон. Однако до сих пор существовала проблема того, что металлокомплекс теряет свою активность еще до завершения извлечения четырех электронов. Пытаясь решить эту задачу, Иноуэ обнаружил способ извлечения двух электронов с помощью одного фотона за один раз. Таким образом, он сделал большой шаг в сторону осуществления искусственного фотосинтеза с использованием металлокомплекса.

Третий способ, в котором в качестве катализаторов применяются полупроводники, является самым прогрессивным в изучении искусственного фотосинтеза, это показательный пример вышеупомянутого «эффекта Хонды-Фудзисимы». Этот способ заключается в использовании водного полупроводника - оксида титана. Когда на него попадает свет, то он выступает в роли катализатора, вода полностью расщепляется и образуется водород и кислород. Такие вещества, которые работают в качестве катализатора под действием света, называют «световыми катализаторами».

Однако главная проблема для существовавших световых катализаторов была в том, что они реагировали только на ультрафиолетовые лучи. Поэтому сейчас профессор Токийского университета Кадзунари Домэн и профессор Токийского университета наук Акихико Кудо активно продвигают разработку светового катализатора, который бы реагировал на видимый свет.

«В сфере световых катализаторов из полупроводников Япония является бесспорным лидером. Сейчас мы один за другим получаем прекрасные результаты. Так, профессор Домэн из Токийского университета нашел световые катализаторы, которые реагируют на видимый свет. Также в проекте искусственного фотосинтеза, который был открыт Министерством экономики, торговли и промышленности и Министерством культуры, спорта, науки и технологии в октябре 2012 года, делается упор на изучение световых катализаторов, с чем я также связываю большие надежды», - говорит Иноуэ.

Соединение металлокомплекса и полупроводника

Кроме того, исследуется новый способ соединения металлокомплекса и полупроводника.

С 2006 года Центральный исследовательский институт Тойота (Toyota Group), начавший работы в искусственном фотосинтезе, разрабатывает катализатор новой концепции, состоящий из металлокомплекса и полупроводника. В сентябре 2011 года был представлен доклад о первом в мире успешном синтезе органической материи с использованием только воды, углекислого газа и солнечной энергии. Однако, несмотря на то, что для реакции восстановления СО2 используется видимый свет, для реакции окисления применяются ультрафиолетовые лучи, а процент преобразования энергии очень низок - 0,04%.

Вслед за Центральным исследовательским институтом Тойота начал разработку катализаторов на основе металлокомплексов и полупроводников и Panasonic, а в июле 2012 года компания опубликовала результаты осуществления искусственного фотосинтеза. В данном случае реакция также проходила только под действием ультрафиолетовых лучей, поэтому требуется повышение показателей преобразования энергии путем осуществления реакции под действием видимого света.

Кроме этого, в случае с металлокомплексами и полупроводниками важной задачей для исследователей становится использование широко распространенного в природе, а не редко встречающегося металла.

Необходим дальнейший контроль со стороны общества

Иноуэ подчеркивает необходимость дальнейшего полноценного обсуждения и изучения продуктов искусственного фотосинтеза.

На данный момент подтверждено образование основных веществ: водород, СО (окись углерода), муравьиная кислота. Однако для того, чтобы создавать метанол и метан, а также другие углеводороды с более высоким молекулярным весом, необходимо изобретение новых катализаторов.

Также существует проблема оценки влияния искусственного фотосинтеза на окружающую среду. «Необходимо проводить полноценные исследования по изучению влияния на атмосферу таких легких молекул газа, как водород, по аналогии с газом фреоном, который был выявлен в качестве причины разрушения озонового слоя», - считает Иноуэ.

Получается, что на пути к осуществлению искусственного фотосинтеза стоит еще много задач для преодоления, однако в завершение Иноуэ добавил вдохновляющие слова:

«Если сравнивать наш труд с восхождением на Фудзи, то сейчас мы находимся в районе пятой станции - на полпути к достижению. Поэтому, видимо, наше поколение не сможет осуществить эту технологию, но мы передадим эстафетную палочку талантливым исследователям следующего поколения. Хотя, как и правительство, которое установило цель в реализации к 2030 году, мы тоже, понимая всю значимость этой технологии для человечества, хотим задействовать все силы японской системы, чтобы добиться результатов хотя бы на день раньше.

Кроме этого важно, чтобы общество продолжало следить за результатами исследований. Например, поначалу на нас возлагали огромные надежды, но когда мы столкнулись с непредвиденными трудностями, новое развитие произошло в подходах и в сфере, которая была до этого признана практически бесперспективной. Поэтому необходимо сделать так, чтобы общество могло правильно оценить достижения передовых рубежей науки.

Ученые и инженеры должны не рисовать все в розовых тонах и преувеличивать свои заслуги, а предлагать обществу лучшие на данный момент пути развития и объективные прогнозы. С другой стороны, хотелось бы, чтобы и общество могло трезво оценить и выбрать правильное направление. Такой подход называют научной коммуникацией, но разве Япония не может быть одной из немногих стран, где возможна здоровая научная коммуникация? Именно для этого я учредил регулярный форум по искусственному фотосинтезу, в котором участвуют не только исследователи и специалисты, но и правительственные деятели в области науки и технологий, представители предприятий, а также обычные граждане. Если вы заинтересовались, вы тоже можете принять участие».