Использовать солнечный свет

Жизнь из воздуха, воды и света

Солнечный свет - наиболее мощный и наименее освоенный человеком источник энергии. За исключением энергии ядра практически вся энергия, прямо или косвенно использовавшаяся когда-либо человеком, представляет собой энергию световых лучей. Гидравлические электростанции преобразуют энергию рек в электрическую. Однако возможность работы ГЭС обусловлена круговоротом воды в природе: нагревание атмосферы солнечными лучами вызывает испарение воды, которая затем выпадает в виде осадков. Тепловые электростанции вырабатывают энергию, используя каменный уголь, нефть, природный газ, то есть органические вещества, которые были созданы зелеными растениями с помощью солнечной энергии миллионы лет назад. Органическое происхождение имеют также бензин, керосин, мазут и прочие виды минерального топлива, получаемые из нефти и каменного угля. Продукты питания, обеспечивающие человеческий организм необходимой энергией (зачастую в больших, чем это требуется, количествах), в конечном счете, поставляются растениями, поскольку животные, мясо которых мы едим, питаются либо зелеными растениями, либо травоядными животными. Что касается самих растений, то они вырабатывают органические вещества, непосредственно улавливая и связывая лучистую энергию. Без этого первичного использования света жизнь на Земле была бы невозможна.

Но если растения издавна "умеют" утилизовать энергию солнечного луча без каких-либо промежуточных, посредствующих звеньев, то человек смог это сделать С помощью техники лишь в последние десятилетия, правда пока в очень незначительных масштабах, которые с точки зрения существующих объемов производства энергии можно вообще не принимать во внимание. Сегодня только одним зеленым растениям природой дано искусство создавать органические вещества из воды и воздуха, используя энергию света. В процессе ассимиляции, или фотосинтеза, в листьях и стеблях растений, при участии хлорофилла, из углекислого газа и воды образуются виноградный сахар (глюкоза), а затем крахмал и другие более сложные органические соединения. Заключенная в этих веществах энергия обязана своим происхождением солнечному свету. Эти факторы широко известны. Но то, что сегодня знает каждый школьник, оказывается пока недоступным для повторения в лабораториях без участия зеленого растения. Если частично прикрыть ассимилирующий лист небольшим кружочком из непрозрачного материала, то можно убедиться в том, что только в освещенной части листа из воды и воздуха будут синтезироваться глюкоза, а затем крахмал. Если в конце дня обработать этот лист раствором йодистого калия, то участки листа, содержащие крахмал, потемнеют и перед вами, словно на фотоотпечатке, сделанном с негатива, окажется точное изображение прикрытой части листа. На фото 1 показан лист тополя, с которым был проделан такой опыт. На снимке отчетливо видны темная зона (здесь на лист падал солнечный свет и образовался крахмал) и круглое светлое пятно (эта часть листа была прикрыта).

Фото 1. Часть листа тополя на протяжении целого дня была укрыта от солнечных лучей (светлое пятно). Проведенный вечером тест с применением йода показал, что лист в темноте не способен к фотосинтезу

Процесс фотосинтеза стал для нас явлением настолько само собой разумеющимся, что мы уже более не удивляемся всему совершенству подобного способа использования энергии. Я приведу несколько цифр, которые позволят наглядно показать читателю, что в действительности скрывается за понятием "фотосинтез".

Начнем с малого. Один квадратный сантиметр листа сахарной свеклы в течение дня образует из воздуха и воды с помощью солнечного света всего одну тысячную долю грамма глюкозы. Картофель и ячмень продуцируют еще меньше. Однако общее количество углеводов, выработанных всеми листьями растения, уже нельзя недооценивать. Сколько органического вещества может синтезировать растение из воздуха и воды в течение года, довольно убедительно показывает урожай зерновых, снимаемый с полей. С точки зрения энергетического баланса подобное производство в высшей степени рационально и экономично. Для синтеза 1 килограмма глюкозы растению достаточно затратить около 4,4 киловатт-часа энергии. Примерно такое количество энергии потребляет цветной телевизор, если в течение пяти дней он работает по три часа каждый вечер. Один килограмм виноградного сахара связывает 400 граммов чистого углерода, синтезированного из 0,75 кубического метра углекислого газа. Так как содержание углекислого газа в воздухе составляет всего 0,033 процента, то для того, чтобы получить такое количество углерода, растение должно "обработать" 2250 кубических метров воздуха. Одновременно с этим происходит химическое разложение 0,6 литра воды и выделение 0,75 кубического метра чистого кислорода.

Рассмотрим теперь фотосинтез в глобальном масштабе. Ежегодно наземные растения связывают 17,2 миллиарда тонн углерода, растения морей - 25 миллиардов тонн этого элемента, содержащегося в углекислом газе атмосферы и Мирового океана. В сумме эти 42,2 миллиарда тонн углерода расходуются на образование 105,5 миллиарда тонн виноградного сахара. Для перевозки такого количества сахара потребовался бы железнодорожный состав длиной более чем в 50 миллионов километров, что в 40 раз превышает общую длину всех железнодорожных линий Земли, равно одной трети расстояния от Земли до Солнца и в 130 раз больше расстояния от Земли до Луны. А содержание состава - всего-навсего годовое производство виноградного сахара всей растительностью Земли.

В процессе фотосинтеза растения за год усваивают 467 триллионов киловатт-часов солнечной энергии. Это почти в 170 раз превышает мировую выработку энергии за год (по данным за 1963 год). Из этого количества растения потребляют 189500 миллиардов киловатт-часов, возвращают в атмосферу 17,1 миллиарда тон углерода, а оставшиеся 25,1 миллиарда тонн углерода трансформируют в твердое вещество. Помимо того, растительный мир связывает за год 37,8 миллиарда кубических метров воды, а в самих растениях ежегодно накапливается 277 500 миллиардов киловатт-часов энергии. В процессе синтеза, происходящего в столь гигантских масштабах, растения ежегодно перерабатывают 79 триллионов кубических метров углекислого газа, 32 триллиона возвращаются вновь в атмосферу, а 47 триллионов остаются в связанном состоянии. Кроме того, растения выделяют в атмосферу 47 триллионов кубических метров чистого кислорода.

Эти цифры настолько велики, что их уже трудно воспринимать. Однако можно с уверенностью сказать, что в ближайшее время в атмосфере не будет недостатка углекислого газа, а поэтому голодная смерть не угрожает всему живому на Земле. Эта уверенность гарантируется тем, что люди, животные и микроорганизмы, вместе с пищей получающие углерод, при дыхании выделяют в атмосферу углекислый газ. Одни только люди выдыхают за год 140 миллионов тонн углерода. Почвенные микроорганизмы дают несколько больше 24 миллиардов тонн. Огромную роль в этом процессе играют микроскопические, преимущественно простейшие организмы - бактерии. Без подобного "возврата" углерода в атмосферу наземная растительность погибла бы уже через 62 года, а запасов питания для морских растений хватило бы на 2400 лет. Благодаря жизнедеятельности всех живых существ на Земле кругооборот углерода в природе оказывается сбалансированным. В течение многих миллионов лет создавались некоторые излишки связанного углерода в форме залежей торфа, каменного угля, нефти, природного газа. Но с конца прошлого века человек активно разрабатывает и сжигает эти природные запасы ископаемого топлива. Подсчитано, что в период с 1890 по 1960 год промышленность ежегодно выбрасывала в атмосферу около 1200 миллионов тонн углерода в виде различных продуктов сгорания. За эти 70 лет выбросы составили более 13 процентов веса всей атмосферы планеты. В одном только 1960 году в воздушное пространство Земли было извергнуто 3120 миллионов тонн отходов производства. С тех пор их объем существенно вырос и будет увеличиваться в дальнейшем. По этому поводу некоторые ученые высказывались следующим образом: "Итак, человечество намеревается провести геофизический эксперимент, которого не могло быть в прошлом и который неповторим в будущем. Всего за несколько столетий мы возвратили в атмосферу и океаны углерод, который многие миллионы лет накапливался в осадочных отложениях".

Мы стоим на пороге того, чтобы нарушить равновесие земной атмосферы. Будет ли это иметь решающее значение для развития климата и всего живого на нашей планете? Из-за постоянно растущих потребностей в энергии мы до сих пор вынуждены участвовать в этом в высшей степени сомнительном эксперименте: ведь в отличие от растений человек еще не научился прямо и в больших масштабах использовать энергию света.

Последние достижения в области химии свидетельствуют о том, что для освоения такого источника дешевой энергии, каким является энергия Солнца, вовсе не обязательно разрабатывать столь дорогостоящие проекты, как, например, создание гигантских "солнечных печей" (над этим работают, в частности, американские ученые). Известно, что на свалках скапливаются огромные количества самых разнообразных искусственно созданных человеком материалов, при сжигании которых в специальных установках в качестве побочного продукта горения образуются высокотоксичные газы. В то же время эти материалы могут разлагаться на простейшие элементы практически "бесплатно", быстро и без какого-либо ущерба для окружающей среды непосредственно под воздействием солнечного света, если только в процессе производства в их состав будут добавлены специальные биокатализаторы - биологически активные вещества.