Солнце - основной источник энергии во вселенной

Распространённость

[править]

Во Вселенной 

Водород — самый  распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около 92 % всех атомов (8 % составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов  — менее 0,1 %). Таким образом, водород  — основная составная часть звёзд  и межзвёздного газа. В условиях звёздных температур (например, температура  поверхности Солнца ~ 6000 °C) водород существует в виде плазмы, в межзвёздном пространстве этот элемент существует в виде отдельных молекул, атомов и ионов и может образовывать молекулярные облака, значительно различающиеся по размерам, плотности и температуре.

[править]

Земная кора и живые  организмы 

Массовая доля водорода в земной коре составляет 1 % — это  десятый по распространённости элемент. Однако его роль в природе определяется не массой, а числом атомов, доля которых  среди остальных элементов составляет 17 % (второе место после кислорода, доля атомов которого равна ~ 52 %). Поэтому  значение водорода в химических процессах, происходящих на Земле, почти так  же велико, как и кислорода. В отличие  от кислорода, существующего на Земле  и в связанном, и в свободном  состояниях, практически весь водород  на Земле находится в виде соединений; лишь в очень незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере (0,00005 % по объёму). 

Водород входит в состав практически всех органических веществ  и присутствует во всех живых клетках. В живых клетках по числу атомов на водород приходится почти 50 %. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Водород — самый  лёгкий газ, он легче воздуха в 14,5 раз. Очевидно, что чем меньше масса  молекул, тем выше их скорость при  одной и той же температуре. Как  самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого  газа и тем самым быстрее могут  передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород  обладает самой высокой теплопроводностью  среди газообразных веществ. Его  теплопроводность примерно в семь раз  выше теплопроводности воздуха. 

Молекула водорода двухатомна — Н2. При нормальных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность 0,08987 г/л (н.у.), температура кипения −252,76 °C, удельная теплота сгорания 120.9×106 Дж/кг, малорастворим в воде — 18,8 мл/л. Водород хорошо растворим во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов на 1 объём Pd). С растворимостью водорода в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия водорода с углеродом (так называемая декарбонизация). Практически не растворим в серебре.

 

Фазовая диаграмма  водорода 

Жидкий водород  существует в очень узком интервале  температур от −252,76 до −259,2 °C. Это бесцветная жидкость, очень лёгкая (плотность  при −253 °C 0,0708 г/см³) и текучая (вязкость при −253 °C 13,8 спуаз). Критические параметры водорода очень низкие: температура −240,2 °C и давление 12,8 атм. Этим объясняются трудности при ожижении водорода. В жидком состоянии равновесный водород состоит из 99,79 % пара-Н2, 0,21 % орто-Н2. 

Твердый водород, температура  плавления −259,2 °C, плотность 0,0807 г/см³ (при −262 °C) — снегоподобная масса, кристаллы гексогональной сингонии, пространственная группа P6/mmc, параметры ячейки a=3,75 c=6,12. При высоком давлении водород переходит в металлическое состояние. 

Молекулярный водород  существует в двух спиновых формах (модификациях) — в виде орто- и параводорода. В молекуле ортоводорода o-H2 (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода p-H2 (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны). Равновесная смесь o-H2 и p-H2 при заданной температуре называется равновесный водород e-H2.

 

 Равновесная мольная  концентрация пара-водорода 

Разделить модификации  водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого  азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом  и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону последнего. При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25). Без катализатора превращение происходит медленно (в условиях межзвёздной среды — с характерными временами вплоть до космологических), что даёт возможность изучить свойства отдельных модификаций.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Бактерии для водородной энергетики 

[13 января, 2011 г.] 

Если исключить  из рассмотрения вполне конкретный круг лиц, человечество заинтересовано в  том, чтобы перейти от «топки ассигнациями» (как в свое время окрестил Менделеев  сжигание нефтепродуктов) к более  «чистым» и возобновляемым альтернативным источникам энергии. Основной надеждой давно уже является водород, однако его сложно хранить и дорого получать «традиционными» способами, а в  чистом виде на Земле его немного. Водород выделяют многие бактерии, но большинство живет в строго анаэробных условиях и не может использоваться для масштабного производства этого  газа. Однако недавно в океане открыли  штамм аэробных цианобактерий, очень эффективно вырабатывающих водород. Станут ли они опорой для ещё толком не окрепшей альтернативной энергетики?

версия для печати

обсуждение (4) 

Почти у каждого  автоконцерна есть концепт-кары, работающие на водороде — как на основе двигателя внутреннего сгорания, так и на топливных элементах. Однако и сейчас, и в ближайшем будущем это скорее способ избежать обвинений в ретроградстве, нежели стремление свернуть на «рельсы» альтернативного топлива. 
 

Нашу жизнь невозможно представить без повсеместно  распространенных и всем доступных  источников энергии и потребляющих её машин: это розетки, аккумуляторы портативной электроники, электропоезда, миллионы автомобилей, газопроводы  и разветвленные сети автозаправок. Бóльшую часть всей энергии — как тепловой, так и электрической — по-прежнему получают сжиганием органического топлива: нефтепродуктов, природного газа, угля и торфа. Ни гидроэлектростанции, ни солнечная энергия, ни сила ветров и приливов, ни даже «мирный атом» не играют главной роли в энергетическом балансе большинства стран. «Дармовая» солнечная энергия, хотя её и очень много, слишком рассеяна, а фотоэлементы слишком дороги, чтобы в обозримом будущем стать реальной альтернативой «топке ассигнациями». Пресловутые биодизель и биоэтанол, если их начать производить в масштабе планеты, банально лишат пищи миллиард людей, поскольку потребуют слишком больших сельскохозяйственных площадей. Термоядерный синтез благородно, но призрачно поблескивает где-то в начале XXII века. 

Реальной альтернативой как нефтепродуктам, так и аккумуляторам является водород (см. Водородная энергетика), поскольку его «энергетическая ценность» максимально высока. Конечно, его сложнее запасать, нежели бензин (газ просто так в бак не зальёшь) — баллоны высокого давления представляют существенную взрывоопасность, сжиженный газ требует температуры −253° C, а «металлические аккумуляторы» дóроги и легко выходят из строя. 

Несмотря на то, что  во Вселенной водород — самый  распространенный элемент, свободного водорода на Земле мало. В промышленности его получают паровой конверсией метана или природного угля, но в  контексте альтернативной энергетики это напоминает «обмен шила на мыло». Электролиз требует огромных затрат электричества (которое получается — откуда?..), и, если пока оставить в  стороне гипотезу, что под мантией  нашей планеты находятся фантастические залежи водорода [1], остается фактически один путь получения водорода в больших  количествах: биотехнологический. 

Известно достаточно много бактерий, которые выделяют водород, но большинство из них —  факультативные анаэробы, то есть могут  существовать только в средах без  доступа воздуха, что, очевидно, не очень-то подходит для промышленности. Идея создать генно-инженерную бактерию, которая бы вырабатывала водород, используя  энергию фотосинтеза, уже довольно давно гуляет среди биологов, и  известный молекулярный биолог Крейг Вентер даже заявил это одним из приоритетов своей «искусственной жизни» [2], однако на сегодняшний день это пока чистой воды спекуляция. Может быть, такие микроорганизмы всё-таки где-то и так обитают на нашей планете? 

Исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе (Миссури, США) обнаружили в океанских водах  одноклеточную цианобактерию, названную Cyanobacterium cyanothece 51142, которая совмещает в себе сразу два фундаментальных биохимических пути — это фотосинтез и запасание энергии в светлое время суток и азотфиксация с выделением водорода и затратой энергии — ночью [3]. 

Бактерия Cyanothece 51142 была открыта в 1993 году в водах Мексиканского залива недалеко от побережья Техаса Луисом Шерманом (Louis Sherman) из университета Пердью (Индиана, США), одним из авторов работы. Позже Химадри Пакраши (Himadri Pakrasi), главный автор статьи [3], доказал, что бактерия имеет «двухфазный цикл». В течение дня она фотосинтезирует, используя солнечный свет и атмосферный углекислый газ для запасания энергии в форме гликогена. Ночью эта энергия тратится, когда запускается фермент нитрогеназа, фиксирующий атмосферный азот и выделяющий водород в качестве побочного продукта (рис. 1). 

Рисунок 1. Фотобиологический  синтез водорода бактерией Cyanothece 51142. Бактерия использует лучи солнца в качестве источника энергии, а углекислый газ и глицерин из окружающей среды (если есть) как субстрат для синтеза запасающего полимера — гликогена. В темное время суток он, распадаясь, служит источником энергии для другого процесса — фиксации атмосферного азота, в котором водород служит акцептором электронов и выделяется в качестве побочного продукта. 
 

Самое интересное здесь  в том, как бактерии удается держать  в одной упряжке «коня и  трепетную лань» — а именно аэробный процесс фотосинтеза и  анаэробный цикл фиксации азота, довольно «хрупкий» фермент которого —  нитрогеназа — легко разрушается под действием кислорода. Достигается это, видимо, пространственной и временнóй разобщенностью этих процессов: ночью, когда кислород не синтезируется, его излишки потребляются самой бактерией, и нитрогеназа в результате оказывается в более или менее бескислородном окружении.

Природные реакторы 

Что замечательно, выход  водорода, и так достаточно высокий, удалось в лабораторных условиях дополнительно повысить, «отрегулировав»  длительность светового дня и  вмешавшись тем самым в циркадный  ритм бактерий, а также добавляя в среду глицерин или другие внешние  источники углерода, «подкармливая» бактерии, находящиеся на «световой  диете». Зарегистрированный выход — 150 микромоль водорода на миллиграмм хлорофилла в час — самый высокий, который удавалось наблюдать для природных цианобактерий. Если экстраполировать эти результаты на чуть большего размера реактор, выход составит 900 мл водорода с литра бактериальной культуры за 48 часов. 

С одной стороны, это  вроде бы и не много, но если представить  себе раскинувшиеся на тысячи квадратных километров экваториальных океанов  реакторы с бактериями, работающими  в полную силу, то итоговое количество газа может быть впечатляющим. Ведь бактерии намного лучше человека с его несовершенными фотоэлементами умеют собирать и запасать рассеянную, но все же колоссальную энергию Солнца! А если удастся создать самоподдерживающуюся экосистему — это был бы очередной «дармовой» источник энергии, стоимость водорода в котором вполне могла бы дать фору паровой конверсии метана и составить конкуренцию нефти. 

Эта работа показывает, на что способны природные микроорганизмы, для которых синтез водорода —  отнюдь не приоритет. А значит, что  со временем человек — не зря  же мы уже более полувека изучаем  молекулярную биологию? — создаст  генно-инженерные штаммы, ещё более  продуктивные в этом отношении. 

Использованы материалы  Nature News [4].

Литература

Чумаков В. Разворот на водород. Вокруг света, 2006 (№ 6);

биомолекула: «Жизнь в эпоху синтетической жизни»;

Bandyopadhyay A., Stöckel J., Min H., Sherman L.A., Pakrasi H.B. (2010). High rates of photobiological H2 production by a cyanobacterium under aerobic conditions. Nat. Commun. 1, 139;

Nature News — «Hydrogen production comes naturally to ocean microbe». 

 

 
 
 
 

  Энергетика клеточной  мембраны 

  

   Рассматривая  параллели между ядерным нуклеосинтезом и огнями святого Эльма, шаровой молнией и даже тунгусским взрывом, может показаться, что нуклеосинтез это что-то совершенно экзотическое и далёкое от жизни. На самом деле я убеждён, что ядерный нуклеосинтез - это наиболее распространённый источник энергии на Земле. Живые организмы удивительно точно и правильно устроены и, следовательно, они должны использовать самые эффективные и надёжные энергетические механизмы, которые существуют в природе. Трудно себе представить какую-нибудь бактерию, которая использует нефть или уран, в качестве топлива. Наоборот, нефть - это побочный продукт жизнедеятельности древних растений, которые оставили её в наследство людям.

  

   Жизнь клетки, особенно простейших бактерий  это вечная война за существование  с окружающей средой и себе  подобными. Ей нужно выжить в самых экзотических условиях, где она должна рассчитывать найти только самый минимум доступных материалов и средств. Смешно говорить о энергетике фотосинтеза поскольку живые организмы преспокойно живут на глубине многих километров под водой где никогда не было никакого света. Некоторые рыбы даже умудряются создавать маленькие лампочки, чтобы подсвечивать себе в темноте. Приблизительная верхняя температура для возможности жизни определяется температурой плавления ДНК, а нижняя точкой замерзания воды. И в самых общих чертах абсолютный минимум условий, при которых возможна жизнь - это наличие воды при температуре от замерзания до кипения. При этом возможно вода может быть дистиллированной - "джентльменский набор" минералов и солей, который делают воду "обыкновенной", то есть безвкусной - это, по-видимому, также результат деятельности живых организмов.