Можно ли использовать солнечную энергию для создания удобрений прямо в поле?

Хлеб часто называют посохом жизни, однако этот эпитет более подходит для азота, химического элемента, который используется бактериями в почве для стимуляции роста растений, которые в свою очередь являются пищей для людей и животных.

Сегодня существует огромная промышленность для производства и доставки азотосодержащих удобрений на фермы, что влечет за собой повышенную урожайность, однако, к сожалению, такая выгода не проходит бесследно для окружающей среды. А причиной всему избытки удобрений, которые вымываются в водоемы, что приводит к загрязнениям последних.

В настоящее время исследователи из Стэндфорского университета ведут многолетние исследования по созданию этого жизненно важного ускорителя в более экологически безопасном виде. Так, ведутся разработки в области технологий химии на солнечной энергии, что позволит производить удобрения прямо на полях, и применять непосредственно на урожаи посредством капельного орошения.

«Наша команда работает над созданием процесса производства удобрений, который поможет накормить мир экологически безопасным способом», говорит химик-технолог Дженс Норсков (Jens Norskov), директор центра научных исследований сопряжений и катализа SUNCAT (SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis), артнерства между исследователями из Стэнфордского инжиниринга и Национальной лабораторией ускорителей SLAC.

Данный проект SUNCAT длится уже 8 лет и поддержан грантом в 7 млн. долл от международной научной и экологической благотворительной организации Villum Foundation. Разработки в области экологически безопасного азота являются частью более широкой инициативы Villum стоимостью 20 млн. долл., призванной объединить исследователей из Стэнфорда и датских ученых для разработки экологически безопасных технологий производства не только удобрений, но и топлива и других важных промышленных химикатов.

«Одна из общих черт этих проектов заключается в необходимости идентифицировать катализаторы, которые могут способствовать протеканию химических процессов, питаемых солнечной энергией, вместо того, чтобы полагаться на ископаемые виды топлива, которые в настоящее время широко используются в качестве источников энергии, а также в качестве сырья для реакций», объясняет Норсков.

Катализаторы — компоненты, ускоряющие реакции, но не входящие в состав продуктов реакции. Катализаторы использовались в промышленных масштабах вот уже больше века. Сегодняшние удобрения обычно получают из нефтехимических продуктов посредством энергоемкого процесса, который опирается на катализаторы для ускорения реакций, протекающих при высоких давлениях и температурах. Разработка низкоэнергетического процесса на солнечной энергии для производства азотных удобрений может принести пользу миллиардам людей, особенно в развивающихся странах. Но чтобы достичь этого, исследователям из SUNCAT нужно постичь природу катализа. «Нам неизвестен ни один катализатор, созданный человеком, который бы удовлетворял нашим требованиям. Так что нам придется создать его», говорит Норсков.

Азот и жизнь

Азот буквально вплетается в ткань жизни. Благодаря химическим сочетаниям с углеродом, водородом и кислородом азот помогает формировать аминокислоты, являющиеся строительными блоками белков — универсального семейства молекул, жизненно необходимых каждому живому организму. Мы можем поблагодарить почвенные бактерии за то, что азот стал пригодным для употребления. Со временем микроорганизмы создали биохимическую экосистему для извлечения азота из атмосферы и сочетания ее с водородом из воды для образования соединений, таких как аммиак, которые могут поглощаться растениями, способствуя их росту и направляя этот атмосферный газ в пищевую цепь.

Мы не знаем, когда фермеры впервые обнаружили преимущества удобрений, но практика обработки полей существует с испокон веков. Современные исследования почв вокруг неолитических поселений позволяют предположить, что еще 6 тыс. лет назад фермеры искали способ повысить урожайность путем удобрения сельскохозяйственных культур отходами животноводства, которые как теперь известно содержат богатую азотом мочевину (аммиак и углерод). Другие традиционные методы удобрения включают выращивание таких культур, как клевер и люцерна, которые хороши для закрепления пригодного к употреблению азота в почве, или просто позволяя полям лежать под паром, чтобы почвенные бактерии восполняли природные элементы. Со временем, по мере роста населения и его перемещения в города, возникла индустрия для снабжения фермеров азотными удобрениями. Иногда это было связано с отправкой судов для сбора птичьих гуано на удаленных островах или добычи химических веществ, таких как нитрат натрия или сульфат аммония, которые можно было бы дополнить растительными добавками.

Однако к первому десятилетию XX века подобная практика уже не могла удовлетворить нужды все увеличивающегося населения. Именно в этот решающий момент немецкий химик Фриц Хабер (Fritz Haber) совместно с инженером-технологом Карлом Бошем (Carl Bosch) открыли способ массового производства аммиака в гигантских чанах с использованием природного газа, что послужило отправной точкой процесса. При экстремальных давлении и температурах химические катализаторы могут расщеплять молекулы природного газа, освобождая атомы водорода и связывая их с азотом из воздуха, что в результате приводит к образованию NH3 — синтетического аммиака, легко поглощаемого растениями. Технология Haber-Bosch была признана одним из главных открытий XX века. «Мы в буквальном смысле накормили мир с помощью удобрений, созданных по Haber-Bosch процессу», отмечает Норсков.

Масштаб и воздействие на окружающую среду

Том Джарамильо (Tom Jaramillo), заместитель директора Центра SUNCAT и член проекта по синтезу азота, представил перспективы производства удобрений в год.

«Каждый год мы производим более 20 кг аммиака на каждого человека на планете, и большая часть этого аммиака идет на производство удобрений», говорит Джарамильо, адъюнкт-профессор химической технологии и фотонной науки в Стэнфорде.

Но этот массивный выход удобрений имеет несколько затрат, начиная с производства. Из-за высокой температуры и давления, требуемого процессом Haber-Bosch, катализ аммиака составляет приблизительно 1% от общего потребления энергии в мире. Кроме того, от 3% до 5% природного газа в мире используется в качестве исходного сырья для получения водорода для синтеза аммиака.

Следом идут затраты на окружающую среду. В наше время производство удобрений ведется в централизованных заводах, после чего продукт доставляется на фермы при помощи механизированных распределителей. Дождь и орошение полей вымывает излишки удобрений в водоемы, что в результате может привести к вспышке роста водных растений. Это, в свою очередь, может привести к уничтожению водными растениями всякой другой морской жизни, создавая «мертвые зоны» в реках, озерах и заливах соленой воды.

Исследователи в SUNCAT ставят своей задачей добиться положительных эффектов от удобрений без всех этих недостатков. Идея заключается в том, чтобы перейти от централизованного производственного процесса по принципу Haber-Bosch, использующего углеводородное топливо, на распределенную сеть производственных модулей, создающих аммиак по требованию и за счет возобновляемых источников энергии. Эти модули, работающие на солнечной энергии, будут выделять азот из атмосферы, а также расщеплять воду на водород и кислород. Затем, посредством каталитических процессов, один атом азота будет соединяться с тремя атомами водорода, что в результате приведет к созданию аммиака с кислородом в качестве отходного продукта.

«Мы будем использовать солнечную энергию в сочетании с правильно разработанными катализаторами для создания аммиака прямо на сельскохозяйственных полях», — говорит Норскоков, — «Думайте об этом как о капельном орошении синтеза аммиака, где он просачивается в корни сельскохозяйственных культур.»

Разработки в этой области во многом обусловлены сильной зависимостью сельскохозяйственной промышленности от ископаемых видов топлива, а также многочисленными экологическими последствиями этой зависимости.

«Вам не потребуются огромные объемы углеводородов в качестве аммиачного сырья, или в качестве топлива для грузовиков и тракторов на полях», заверяет Норсков. Он также уверяет, что не будет проблем и с излишками удобрений, вымываемых в водоемы, потому что практически все производимое удобрение будет полностью потребляться сельскохозяйственными культурами.

Разработка подобных технологий имела бы глобальный выигрыш. В развитых странах с механизированным сельским хозяйством катализ азота на основе солнечных элементов будет поставлять удобрения с значительно более низкими экологическими издержками. В странах же третьего мира, таких как страны Африки, производство удобрений за счет солнечной энергии могло бы помочь фермерам остановить голод.

Катализ следующего поколения

Разработка технологии производства азотных удобрений используя солнечную энергию представляет собой огромную проблему, которая начинается с разработки необходимых катализаторов.

«Это примечательно, насколько экономическая и промышленная активность зависит от катализа и насколько это мало ценится», считает Норскоков.

Катализаторы — это многозадачные химические элементы: они должны воздействовать на определенные молекулы, разрушать определенные химические связи и часто создавать новые связи из атомного беспорядка. Достаточно редко можно найти химический агент, способный выполнять все эти разрушения и соединения не истощаясь.

«Хотя катализатор должен достаточно сильно связываться с молекулой-мишенью для выполнения требуемой работы, он также должен выпускать конечный продукт», — говорит Стэйси Бент (Stacey Bent), профессор химической технологии в Стэнфорде и ключевой член команды SUNCAT. «Мы должны проектировать катализаторы, которые могут создавать и разрушать связи с атомной точностью, и мы должны обеспечить массовое производство этих материалов в необходимых масштабах и в ценовых категориях, а также прочность и простоту использования на полях».

Исследователям предстоит разработать целый ряд реакций по выделению молекулы азота из воздуха и расщеплению воды на водород и кислород, с последующим соединением молекул азота с водородом для создания аммиака. Причем единственным источником энергии для выполнения всех этих операций должен быть солнечный свет. «Мы действительно лишь в начале», признает Том Джарамильо.

Вычисление, визуализация, экспериментирование

Тесная рабочая взаимосвязь между инженерами Стэнфорда и исследователями Национальной лаборатории ускорителей SLAC является важной частью истории.

Ускорители частиц SLAC и технологии визуализации могут захватывать и визуализировать химические реакции в атомном масштабе. Это, в сочетании с вычислительными активами SLAC, позволит команде SUNCAT использовать различные методы, включая искусственный интеллект, машинное обучение и моделирование, для идентификации перспективных материалов, а затем предсказать, как незначительные изменения их атомных структур могут оптимизировать их для использования В качестве катализаторов.

По словам Стейси Бент, исследователи будут моделировать свойства материалов, выполняющих необходимые реакции, чтобы впоследствии создать список лучших кандидатов на тесты и синтез.

Масштабы задачи требуют широкого диапазона талантов. В дополнение к Норскову, Джарамильо и Бент, другие Стэндфордские исследователи представлены химико-технологическим факультетом Жэньань Бао и Маттео Каргнелло. Сотрудниками SLAC являются Томас Блайгард (Thomas Bligaard), старший научный сотрудник и заместитель директора по теории в SUNCAT, а также ученый Фрэнк Абильд-Педерсен (Frank Abild-Pedersen). Также к ключевым участникам проекта принадлежит группа датских ученых под руководством профессора Иба Чоркендорфа (Ib Chorkendorff) из Технического университета Дании.

«Мы являемся частью очень сильной команды, атакующей некоторые из самых больших проблем в химии, химической инженерии и экологии», — говорит Джарамильо.

Конечной целью является создание каталитического процесса, способного стимулировать различные химические реакции, производящие аммиак, только за счет воздуха, воды и солнечного света. Более того, эти неисчерпаемые катализаторы, а также каждый компонент в этих производственных модулях должен быть недорогим для массового производства, прочным в полевых условиях и простым в эксплуатации. Это очень сложные условия задачи, но потенциальный выигрыш огромен.

«Экологически безопасное производство азота станет возможным только благодаря междисциплинарному сотрудничеству людей, работающих в таких областях, как материаловедение, химическая технология и информатика», считает Бент.

Если цель проекта стоит прилагаемых усилий и затрат, то это справедливо и для методологии исследования. Командное исследование, сочетающее в себе теоретическую проработку, визуализацию на атомном уровне и компьютерное моделирование, может быть применено для разработки других устойчивых процессов для создания топлива и промышленных химикатов, как это предусмотрено инициативой Villum.

Норсков сформулировал это в более широкую задачу на фоне глобального потепления в своей недавней статье, написанной совместно с Аруном Мажумдаром (Arun Majumdar), профессором машиностроения в Стэнфорде, содиректором Института энергетики при Стэндфорде и бывшим директором-основателем Агентства перспективных исследовательских проектов — Энергия.

В статье для Альянса научной филантропии Норски и Маджумдар утверждают, что цивилизация достигла такого уровня, когда технологии, которые раньше позволяли нашему населению расти, теперь могут угрожать жизни. Важнейшая задача XXI века — разработать новые технологии, которые удовлетворяют потребности людей экологически безопасными способами.

«По существу мы пытаемся восстановить равновесие в циклах углерода и азота Земли, которые были потеряны за счет экспоненциального увеличения спроса на продукты питания и ископаемое топливо», — пишут Норски и Маджумдар, добавляя: «Сейчас самое время действовать».

Phys.org — News and Articles on Science and Technology