Заглянем в будущее

При космических полетах и особенно при исследовании поверхности Луны (а впоследствии и Марса) применяются полупроводниковые солнечные батареи, которые работают с к.п.д., превышающим 10 процентов. Нет сомнений, что в будущем ученым удастся повысить к.п.д. преобразования солнечной энергии в электрическую, скажем, до 20 процентов. Кстати, в этих батареях к.п.д. не уменьшается при увеличении интенсивности солнечной энергии в противоположность тому, что имеет место при фотосинтезе в растениях.

В принципе при дальнейшем удешевлении полупроводниковых материалов не исключена возможность использования подобных батарей и на поверхности Земли, покрывая ими большие пространства суши. Суточные, месячные и годовые изменения интенсивности излучения, а значит, и электрического тока от батарей можно было бы выровнять с помощью аккумулирования электрической энергии батарей в виде продуктов электролиза. При этом можно было бы выбрать такой электролиз, продукты которого давали бы возможность переводить их химическую энергию в электрическую с к.п.д. около 100 процентов в топливных или обычных электрических элементах. От этих элементов мы могли бы получать ток уже постоянной мощности.

Сами фотоэлементы должны быть распределены на больших площадях. Они могут быть надежно укрыты в соответствующих пластмассовых кассетах. Уход за такими «энергетическими полями», вероятно, не был бы более трудоемким, чем уход за сельскохозяйственными полями.

Однако я думаю, что такое решение использования солнечной энергии не будет оптимальным. Уж очень много ценного полупроводникового материала для этого потребуется. Есть, правда, возможность получать некоторые органические полупроводниковые материалы, которые были бы значительно более дешевыми. К сожалению, эта область мало изучена, и пока к.п.д. соответствующих батарей еще очень мал (около 2 процентов). Однако нельзя исключать возможность повышения к.п.д. в дальнейшем и для этих материалов.

И все-таки думается, что решение вопроса следует искать другими путями.

Мне придется начать издалека. Примерно 150 лет назад немецкий химик Велер осуществил синтез мочевины, и это было началом революции в химии. До Велера химики полагали, что органические вещества могут быть получены лишь в живых организмах под действием какой-то мистической жизненной силы. Такой взгляд препятствовал развитию органической химии. Велер разбил этот предрассудок, и спустя сравнительно короткое время начался бурный рост органического синтеза. Органическая химия сделалась одной из самых развитых наук, породившей в конце прошлого и в настоящем веке огромную промышленность.

Одновременно органическая химия начала все более содействовать развитию биологической науки, и современная революция в биологии в значительной степени была вызвана химическими исследованиями, прежде всего химией природных соединений. Таким образом, создалась молекулярная биология и биоорганическая химия.

При развитии этих новых наук выяснилось, что химические реакции в живом организме происходят совсем иначе, чем в наших лабораториях и на химических заводах. Таким образом, Велер был лишь частично прав. Мы можем синтезировать в лабораториях любые органические вещества вплоть до белков и даже начинаем синтезировать нуклеиновые кислоты, являющиеся самой основой жизни, но механизм и сами принципы синтеза в организмах иные, чем в лабораториях. В растениях и особенно у животных сложные синтезы идут в течение минуты, а в лабораториях нередко требуют месяцев работы.

И мы стоим опять перед началом революции уже в химии, индуцированной теперь биологией. В то время как наша химическая индустрия использует высокие температуры и давления, организм способен проводить те же реакции при обычных температурах и давлениях.

Первичным источником энергии у зеленых растений является солнечное излучение, у животных — энергия окисления пищевых продуктов, которая используется для проведения реакции в организмах и для работы мышц. Эта энергия запасается в виде химической энергии в молекулах аденазинтрифосфорной кислоты (АТФ). При использовании энергии организмом аденазинтрифосфорная кислота переходит в аденазиндифосфорную кислоту (АДФ), которая затем под действием солнечной энергии снова заряжается и переходит вновь в молекулу АТФ.

Растения питаются в первую очередь углекислотой и водой, животные — растительной и животной пищей. И в тех и в других случаях используются катализаторы удивительной специфичности, так называемые ферменты, представляющие собой огромные белковые молекулы с маленькими активными группами. В очень многих случаях такие активные центры содержат ионы металлов переменной валентности.

Я не могу здесь вдаваться в подробности механизма химических реакций не только в организме в целом, но и в каждой его клетке. Клетка представляет собой миниатюрный химико-энергетический завод со специальными цехами: зарядки АДФ, распределения веществ по отдельным зонам, транспорта аминокислот, сборки белков. Управление этой сборкой осуществляется специальной «управляющей машиной». Заготовка деталей и сборка молекул белков по своей точности превосходят сборку самолетов из деталей. Природа устроила этот миниатюрный завод в таком совершенстве, к которому мы в наших заводах еще только стремимся. Поэтому на первый взгляд кажется, что использовать такой сложный механизм в обычной химии нереально.

Но вот тут-то мы, по-видимому, ошибаемся. Дело в том, что в живом организме все взаимосвязано. Каждый элемент устройства, даже в отдельной клетке, должен обеспечивать эту взаимосвязь функций всей клетки и даже организма в целом. Если же мы хотим вне организма осуществить какую-либо одну функцию, например, получать определенное вещество, которое синтезируется в организме, то задача может снова упроститься. Не копируя природу, но используя некоторые ее принципы, мы сможем со временем в гораздо более простом виде осуществить любой химический процесс, который идет в организме. Если эта возможность реально подтвердится, то химическая технология во многом претерпит подлинную революцию.

Я позволю себе проиллюстрировать этот вывод на примере фиксации азота воздуха вне организма в условиях обычных температур и давлений. Дело идет о получении аммиака и его производных из азота воздуха и воды. Эта работа была осуществлена советскими учеными Вольпиным и Шиловым за последние несколько лет.

До их работ такого рода синтез был известен лишь в клубеньках бобовых растений и у некоторых свободно живущих микробов, что давно и широко использовались в агрохимии для повышения связанного азота в почвах. Биологи и биохимики выяснили, что процесс фиксации азота идет с помощью специальных бактерий, живущих в почве или в клубеньках разного рода бобовых растений. Такая способность обусловлена наличием у этих организмов специальных ферментов, осуществляющих указанную реакцию. Эти ферменты (как и другие) представляют собой огромную белковую молекулу с небольшими активными группами, содержащими в микроколичествах ионы молибдена или ванадия. Было отмечено также, что фиксация азота в растениях протекает в присутствии хлористого магния. Биохимиками был сделан ряд попыток раскрыть механизм действия этих ферментов.

Советские авторы, как уже было указано, осуществили этот процесс вне организма, и притом скорость реакции оказалась близкой к природной. Вместо ферментов они использовали комплексные соединения разных ионов переменной валентности.

В 1964 году Вольпин в неводных растворах комплексов, аналогичных катализаторам Натта — Цигнера, впервые восстановил азот до нитрида. В 1966 году Шилов показал, что ионы металлов переменной валентности образуют с азотом воздуха при низких температурах прочные комплексы, причем обычно инертный газ азот в этих условиях оказался очень активным, способным вытеснять воду и аммиак из комплексов этих металлов.