Нетрадиционная энергетика: топливо из воды и солнечного света

Лауреатом международной премии «Глобальная энергия» в номинации «Нетрадиционная энергетика» в этом году стал главный научный сотрудник Института фундаментальных проблем биологии РАН, заведующий лабораторией управляемого фотобиосинтеза Института физиологии растений РАН Сулейман Аллахвердиев. Как получить водородное топливо из воды и солнечного света и когда это можно будет делать в промышленных масштабах — ​в интервью «Лаб. СР».

— Присуждение премии «Глобальная энергия» было для вас ожидаемым событием или скорее неожиданностью? Какие эмоции испытали, узнав о награде?

— С одной стороны, ожидаемым. В том смысле, что я всегда верил в то, что человечество рано или поздно осознает реально существующую и все увеличивающуюся необходимость перехода от ископаемых, исчерпаемых, источников энергии к альтернативным, возобновляемым, экологически безопасным, основанным на природоподобных технологиях. И я в это не только верил, но уже в течение многих лет активно и успешно над этим работал и продолжаю работать. С другой стороны, я делаю свою работу не ради какой-то славы, не ради того, чтобы мое имя звучало в СМИ. Поэтому присуждение премии «Глобальная энергия» стало для меня неожиданным событием, но очень значимым и приятным. Ведь оно явилось публичным признанием необходимости всех тех перемен, о которых я сказал выше, а также признанием высокой актуальности, значимости и важности исследований в этом направлении.

— По-вашему, развитие альтернативной энергетики сегодня идет хорошими темпами или ученым и промышленности нужно ускориться?

— Можно ли всерьез говорить о темпах спасения погибающего человека? Быстро его спасаем или, может, нужно ускориться? Наверное, чем быстрее, тем лучше. Традиционная энергетика существует зачастую за счет нещадной, бездумной эксплуатации природных ресурсов и небрежного отношения к окружающей среде и каждую секунду наносит вред планете. Чем быстрее, интенсивнее и успешнее эти проблемы будут решаться, тем лучше для планеты и человечества.

— Какова область ваших научных интересов?

— Последние 40 лет я исследую природный фотосинтез, механизмы и энергетику природного фотосинтеза. Кроме того, на основе полученных при этом фундаментальных знаний о природном фотосинтезе я успешно занимаюсь поиском возможностей и путей использования компонентов природного фотосинтеза, а также принципов построения и функционирования фотосинтетического аппарата оксигенных фототрофов для создания природоподобных искусственных устройств генерации молекулярного водорода из дешевых протонов и дешевых высокоэнергетичных электронов, получаемых при расщеплении неиссякаемого возобновляемого источника — воды, за счет энергии неиссякаемого источника — солнца. Результаты моей работы в этой области знаний представлены в более чем 350 публикациях в высокорейтинговых международных научных изданиях.

— Вам присудили премию с формулировкой «за выдающийся вклад в развитие альтернативной энергетики, научные достижения в области проектирования систем искусственного фотосинтеза, цикл научных работ в области био- и водородной энергетики». Что такое биоэнергетика? Что нового в этой области удалось сказать вам и вашей научной группе?

— Биоэнергетика охватывает очень широкий спектр исследований процессов преобразования энергии в биологических системах. Я, как уже говорил, занимаюсь исследованием систем природного фотосинтеза, а также разработкой основанных на его принципах систем искусственного фотосинтеза. Что такое искусственный фотосинтез? Современные суперпродуктивные виды фотосинтезирующих организмов, используемые в сельском хозяйстве и промышленном производстве, устойчивы к стрессам, уверенно побеждают сорняки в борьбе за воду, свет, минералы. Они стали такими в результате совершенных с ними человеком процедур: направленной селекции, генетической модификации, применения гербицидов, удобрений и т.д. Такие организмы и есть носители измененного, т. е. искусственного фотосинтеза. С другой стороны, полностью собранная из синтетических, не биологических, компонентов система, построенная по образу и подобию природного фотосинтеза, имитирующая процессы, происходящие в природном фотосинтезе, также будет обозначаться как система искусственного фотосинтеза.

Уже на старте научной карьеры, в начале 1980-х, у меня возникла на тот момент сумасшедшая идея о том, что можно использовать принципы природного фотосинтеза для создания систем преобразования энергии солнечного излучения в электроэнергию или запасать солнечную энергию в виде уникального вида топлива — молекулярного водорода.

Мне и моим коллегам удалось добиться генерации молекулярного водорода комплексами второй фотосистемы. (Фотосистемы — это совокупность молекул хлорофилла, дополнительных молекул пигмента, белков и небольших органических соединений. Есть две основные фотосистемы. ФС1 имеет реакционный центр, состоящий из молекулы хлорофилла P700, которая поглощает свет с длиной волны 700 нм; ФС2 имеет реакционный центр, содержащий молекулу хлорофилла P680, которая поглощает свет с длиной волны 680 нм. — «СР».) Все эти годы мы исследовали и в настоящее время продолжаем исследовать широчайший спектр разных металлов, которые могли бы быть использованы в качестве катализаторов окисления воды в системах искусственного фотосинтеза. Основываясь на полученных фундаментальных знаниях, мы синтезировали искусственные Mn-, Fe-, Ni-, Co-, Ru-содержащие комплексы — всего более 50, способные выделять молекулярный кислород из воды. Эти комплексы могут быть использованы для конструирования фотоячеек (разновидность солнечных батарей, — «СР»). Разработана также обобщенная схема биомиметической системы, которая имитирует работу ФС2 в процессе окисления воды и способна к фотовыделению водорода.

Я уверен, что в немного более отдаленной перспективе на основе этих исследований будут созданы более совершенные системы искусственного фотосинтеза, способные с высокой эффективностью преобразовывать энергию квантов электромагнитного излучения в электричество. Причем не только в достаточно узком диапазоне частот, как в случае природного фотосинтеза, а в любом из предпочтительных по условиям промышленного применения диапазоне.

— Как вы относитесь к идее производства водорода электролизным методом, которая сейчас рассматривается в частности в «Росатоме»?

— Технология электролиза воды выглядит привлекательно с экологической точки зрения и дает при этом возможность создания установок с широким диапазоном производительности — от нескольких литров до сотен кубометров водорода в час. Однако на сегодня это очень дорогая технология получения водорода. Дешевле она станет при условии использовании для электролиза энергии от возобновляемых альтернативных источников энергии.

Я уверен, что научное будущее в области производства водорода — за разработкой систем искусственного фотосинетеза, использующих солнечный свет, воду и эффективные катализаторы для получения дешевого, экологически чистого и энергоемкого топлива будущего — молекулярного водорода. В настоящее время все технологии искусственного фотосинтеза находятся на стадии экспериментальных исследований, лишь отдельные из них — максимум на первичной стадии создания и испытания лабораторных прототипов. Необходимы еще достаточно интенсивные лабораторные исследования, создание и многосторонние испытания многочисленных экспериментальных прототипов, разработка технической документации для промышленного производства и оценка рентабельности технологии. Как и для любого другого прототипа, на пути внедрения его в производство всегда существует множество этапов, которые необходимо пройти.

— Вы много работали за границей. Подход какой страны к организации НИОКР вам наиболее близок и почему?

— Мне, безусловно, нравится организация обеспечения научного процесса практически во всех странах, в которых мне доводилось работать. И в Европе, и в Канаде, и в Японии ученый занят исключительно научной работой и не тратит время на решение каких-либо вопросов, связанных с технической организацией и всесторонним обеспечением экспериментальных исследований. Думай, твори, разрабатывай, пробуй, экспериментируй, анализируй, генерируй — а все необходимое для тебя и, что важно, за тебя организуют. Все, что необходимо, доставят практически мгновенно. В вопросы снабжения, бухгалтерии, доставки ученым вникать не надо. И это крайне эффективно, крайне продуктивно и чрезвычайно окупаемо для страны, стремящейся к инновациям, к лидерству в передовых технологиях.

ДОСЬЕ

Сулейман Аллахвердиев родился в 1950 году в Армении. Окончил физический факультет Азербайджанского государственного университета им. Кирова в 1973 году. В 1977 году поступил в очную аспирантуру Института фотосинтеза АН СССР (ныне Институт фундаментальных проблем биологии РАН), защитил кандидатскую диссертацию по специальности «биофизика». В Институте работал до 1995 года, прошел все ступени карьерной лестницы — от младшего до ведущего научного сотрудника. В 2002 году в Институте физиологии растений РАН защитил докторскую диссертацию по теме «Функциональная организация и инактивация фотосистемы 2».

С 1993 по 2007 год работал в научных центрах Канады, Испании и Японии. С 2008 года — главный научный сотрудник Института фундаментальных проблем биологии РАН. С 2010 года заведует лабораторией управляемого фотобиосинтеза ИФР РАН.

Заместитель редактора в журналах International Journal of Hydrogen Energy (Elsevier), Photosynthesis Research (Springer), Photosynthetica (Springer), Functional Plant. Биология (CSIRO), Heliyon (CellPress), главный редактор отдела Cells (MDPI) и редактор раздела фотосинтеза в BBA Bioenergetics (Elsevier), член редакционных коллегий более 10 международных журналов. Автор более 350 научных работ, семи патентов и 10 книг. Индекс Хирша — 71.

В 2016 году признан Thomson Reuters-WoS (Clarivate Analytics) самым цитируемым российским исследователем в области биологии в мире. В 2018 году был признан первым в рейтинге самых цитируемых ученых России и награжден Scopus Awards Russia в категории «Науки о жизни». В 2018, 2019 и 2020 годах признан Thomson Reuters — WoS (Clarivate Analytics) одним из высокоцитируемых исследователей мирового уровня, отобранных за их исключительную исследовательскую эффективность, и вошел в список самых цитируемых ученых мира.