На помощь приходит искусственная жизнь

А что, если изменения возникнут внутри этих гигантских углеводородных крепостей? В 2010 году Эмиль Джейкобс, вице-президент по исследованиям и развитию корпорации ExxonMobil,^[525] объявил о запуске беспрецедентного шестилетнего проекта стоимостью 600 млн долларов по разработке нового поколения биотоплива. Конечно, биотопливо первого поколения – в основном получаемый из кукурузы этиловый спирт – было настоящей катастрофой.^[526] Оно причинило большой ущерб экологии и отняло у сельского хозяйства миллионы акров площадей, что привело к резкому увеличению цен на продовольствие. Но новое биотопливо Exxon не использует сельскохозяйственные культуры и не требует значительных земельных территорий. Вместо этого Exxon планирует выращивать свое биотопливо из водорослей.

Министерство энергетики США считает, что водоросли могут производить в тридцать раз больше энергии на один акр,^[527] чем более традиционные виды биотоплива. Более того, поскольку ряской зарастает практически любой стоячий водоем, она сейчас тестируется на нескольких крупных электростанциях в качестве поглотителя углекислого газа.^[528] Дымовые трубы выведены в водоемы, и водоросли поглощают COЭто замечательная технология, но, чтобы скорее воплотить ее в реальность, Exxon объединилась с «хулиганом от биологии» Крейгом Вентером и его компанией Synthetic Genomics Inc. (SGI).^[529]

Для изучения методов выращивания водорослей и технологий извлечения нефти Exxon и SGI построили новую испытательную станцию в Сан-Диего. Вентер называет ее «перевалочный пункт для водорослей». Солнечным днем в феврале 2011 года для меня провели экскурсию по этому месту. Снаружи здание выглядит как высокотехнологичная теплица: чистые пластиковые панели, белые распорки, двери со шлюзовыми устройствами. Когда мы вошли в одну из таких дверей, Пол Ресслер,^[530] возглавляющий проект, объяснил основные принципы: «Нашему биотопливу нужны три вещи: солнечный свет, CO₂ и морская вода. Причина, по которой мы пользуемся морской водой, заключается в том, что мы не хотим занимать сельскохозяйственные земли и пользоваться водой, которая идет на сельское хозяйство. CO₂ – это более сложная проблема. Вот почему тут подошла бы секвестрация CO₂: этот метод и замедляет глобальное потепление, и предоставляет концентрированный источник».

Мы проходим через еще одну дверь – и оказываемся внутри главного помещения размером с футбольное поле, в котором практически ничего нет, если не считать полудюжины чанов с водорослями и большого плаката «Жизнь клетки» на стене. Ресслер показывает на плакат. «Не знаю, насколько хорошо вы помните школьную программу по биологии, но фотосинтез – это способ, с помощью которого растения превращают энергию света в химическую энергию. В течение дня растения используют солнечный свет, чтобы расщепить воду на водород и кислород, потом соединяют все это с углекислым газом, и в результате получается углеводородное топливо, которое мы называем „бионефть“: обычно растения используют его ночью для восстановления. Наша цель – научиться надежно и в больших количествах производить эту бионефть».

Вентер, тоже присоединившийся к экскурсии, вмешивается в разговор: «Пол слишком скромен. На самом деле он нашел способ заставить клетки водорослей добровольно выделять накопленные ими липиды, превращая эти клетки в микрофабрики». Ресслер подхватывает объяснение: «Теоретически, как только процесс будет отлажен, мы сможем сделать его непрерывным и потом просто „собирать урожай“ бионефти. Клетки будут постоянно ее производить. Нам не нужно будет собирать сами клетки – достаточно просто собрать бионефть, которую они будут выделять».

Это весьма эффективная технология. «Если сравнить с более традиционными видами биотоплива, – говорит Вентер, – то кукуруза дает 18 галлонов с акра в год (около 170,3 литров с гектара), а пальмовое масло – 625 галлонов (ок. 5915 л/га). А эти модифицированные водоросли, как мы планируем, дадут 10 000 галлонов с акра в год (ок. 94 635 л/га). И мы хотим наладить непрерывное производство на площади в две квадратные мили».

Давайте посчитаем: две квадратные мили – это 1280 акров. 10 000 галлонов умножить на 1280 – это 12,8 млн галлонов, то есть 48,45 млн л топлива в год. С учетом сегодняшнего среднего расхода топлива в США (25 миль на галлон, то есть примерно 10,58 км/л)^[531] и среднего годового пробега (12 000 миль, то есть примерно 19 200 км) выходит, что две квадратных мили водорослевой фермы будут производить достаточно топлива, чтобы хватило примерно на 26 тысяч автомобилей. А какая площадь требуется, чтобы заправить все автомобили Америки? Сейчас в США примерно 250 миллионов автомобилей – значит, необходимо 18 750 квадратных миль, то есть примерно 0,49 % континентальной территории США (или 17 % территории штата Невада). Совсем не плохо. И представьте себе, что произойдет, когда наши машины смогут проезжать 40 км на один литр топлива, а всё больше водителей будут пересаживаться в электрические автомобили.

Даже если SGI не добьется цели, Exxon – не единственный участник этой гонки. LS9, энергетическая компания из Сан-Франциско, объединилась с корпорацией Chevron (и с Procter &Gamble),^[532] чтобы разработать собственное биотопливо, а неподалеку оттуда, в Эмеривилле, штат Калифорния, компания Amyris Biotechnologies таким же образом создала альянс с Shell. ^[533] Корпорация Boeing и авиакомпания Air New Zealand ^[534] начинают разрабатывать авиационное топливо на основе водорослей, а некоторые компании уже успели зайти еще дальше. Авиакомпания Virgin Airlines уже сейчас заправляет свои «Боинги-747»^[535] топливной смесью, частично состоящей из биотоплива на основе кокосового масла и пальмового масла бабассу, а компания Solazyme,^[536] базирующаяся в Сан-Франциско, в 2010 году поставила ВМФ США 1500 галлонов водорослевого биотоплива, выиграв таким образом тендер еще на 150 000 галлонов. Тем временем Министерство энергетики финансирует три разных проекта производства биотоплива,^[537] а организация Clean Edge,^[538] которая занимается мониторингом рынков возобновляемой энергии, сообщает в своем десятом ежегодном обзоре индустрии, что общая стоимость биотоплива, произведенного в 2010 году, составила 56,4 млрд долларов – и планируется, что к 2020 году она достигнет 112,8 млрд.

Очевидно, что интерес к дешевым видам топлива с нейтральным уровнем эмиссии углерода сейчас беспрецедентно высок, но не все проблемы еще решены. Ни одна из вышеупомянутых компаний (как и ни один из их не упомянутых здесь конкурентов) пока не придумала, как сделать эти технологии повсеместными. Чтобы действительно удовлетворить наши потребности, говорит Стивен Чу,^[539] производство биотоплива должно увеличиться в миллион – а возможно, даже в десять миллионов раз. С другой стороны, он напоминает, что такие же ученые, как те, что работают сегодня над биотопливом, смогли наладить массовое промышленное производство лекарств от малярии. «Так что вероятность имеется, – говорит он, – а учитывая профессиональный уровень ученых, принимающих участие в решении проблемы, то я бы хотел верить, что даже высокая вероятность».

Но Министерство энергетики не рассчитывает только на биотопливо в решении проблемы энергетического изобилия. Его также весьма интересует возможность «хакнуть фотосинтез». Инициатива SunShot финансирует Объединенный центр искусственного фотосинтеза (Joint Center for Artificial Photosynthesis, JCAP)^[540] – межинститутский проект стоимостью 122 млн долларов, который совместно ведут Калтех, Беркли и Ливерморская национальная лаборатория имени Лоуренса. Задача JCAP – разработать поглотители солнечной энергии, катализаторы, молекулярные линкеры и разделительные мембраны – все необходимые элементы искусственного фотосинтеза. Говорит доктор Гарри Этуотер, директор Центра исследований устойчивой энергетики Калтеха, один из ведущих исследователей JCAP:^[541]

Мы разрабатываем искусственный процесс фотосинтеза. Под искусственным я имею в виду то, что во всей системе нет ни одного живого или органического компонента. Мы, по сути дела, превращаем солнечный свет, воду и CO₂ в топливо, которое можно хранить и транспортировать, – мы называем его «солнечное топливо» – и делаем это для того, чтобы удовлетворить ²/₃ наших потребностей в энергии, которые не может покрыть обычная фотоэлектрическая энергетика.

Этим солнечным топливом можно будет не только заправлять наши автомобили и согревать наши дома. Этуотер верит, что сможет увеличить эффективность фотосинтеза в десять, а возможно, и в тысячу раз – и это означает, что солнечные виды топлива полностью заменят ископаемые виды. «Мы приближаемся к критическому переломному моменту, – говорит он. – Есть большая вероятность того, что через тридцать лет мы будем спрашивать себя: „Боже мой, зачем мы вообще когда-то сжигали углеводороды, чтобы добыть тепло и энергию?“»

Священный Грааль хранения

Мы так сильно зависим от углеводородов не только из-за их удельной энергоемкости и доступности, но и еще по одной важной причине: их легко хранить. Уголь мы храним просто кучей, нефть – в различных резервуарах. Но солнечная энергия существует, только пока светит солнце, а энергия ветра – только пока дует ветер. Эти ограничения остаются самым главным препятствием к широкому распространению технологий возобновляемой энергии. Пока солнце и ветер не будут надежно, круглосуточно и бесперебойно поставлять энергию,^[542] ни солнце, ни ветер не займут сколько-нибудь значительную часть в нашей энергетике. Несколько десятилетий назад Бакминстер Фуллер предложил идею глобальной энергосистемы,^[543] которая смогла бы передавать энергию, полученную на солнечной стороне планеты, на ее ночную сторону. Но большинство специалистов связывают свои надежды с созданием большого числа местных хранилищ на уровне локальных сетей, способных «уплотнять» или «смещать по времени» энергию – то есть накапливать ее в течение дня и раздавать ночью. Именно эта идея и стала священным Граалем движения за экологически чистую энергию.

По большому счету, не важно, насколько упадет цена на солнечную энергию, пока мы не найдем способ ее хранить, а последнее пока еще ни разу не удавалось в больших масштабах. Для таких хранилищ необходимы колоссальные аккумуляторные батареи, и сегодняшние литий-ионные батареи категорически не подходят для этой задачи.^[544] Их емкость необходимо увеличить в 10–20 раз, и – если мы действительно хотим сделать эти устройства масштабируемыми – их нужно делать из материалов, которые встречаются на Земле в изобилии. Иначе мы просто поменяем экономику, полностью зависящую от углеводородов, на экономику, зависящую от лития.

К счастью, в этой области уже наблюдается прогресс. За последнее время рынок хранилищ с накопителями энергии был усовершенствован в достаточной степени, чтобы им заинтересовались венчурные капиталисты. Лидирует здесь инвестиционная компания Kleiner Perkins Caufield & Byers (KPCB),^[545] у которой явно есть дар угадывать победителей – если судить по ее инвестициям в 425 компаний, включая AOL, Amazon, Sun, Electronic Arts, Genentech и Google. А учитывая то, что главный партнер Kleiner Джон Доерр – страстный защитник окружающей среды и борец с глобальным потеплением, многие из объектов его инвестиций связаны с энергетикой.

Зимой 2011 года я связался с Биллом Джоем, который раньше работал в Sun Microsystems,^[546] а сейчас является главным партнером KPCB по экологически безопасной энергетике, и он рассказал мне о прогрессе в области хранения энергии. Две последних инвестиции были нацелены на трансформацию именно этого рынка. Первая инвестиция была сделана в компанию Primus Power, создающую перезаряжаемые проточные батареи, в которых электролиты протекают через электрохимическую ячейку, преобразующую химическую энергию в электрическую. Эти устройства уже хранят энергию ветра в новом 25-мегаваттном хранилище стоимостью 47 миллионов долларов в Модесто, штат Калифорния.^[547]

Второе вложение Kleiner – это компания Aquion Energy,^[548] которая делает батареи, похожие по устройству на литий-ионные, но с одним существенным отличием. В основе этих батарей – не редкий и токсичный литий, а натрий и вода – два дешевых и повсеместно распространенных вещества, неядовитых и негорючих. В результате получилась батарея, которая высвобождает энергию равномерно, не подвержена коррозии, изготавливается из материалов, имеющихся на Земле в изобилии, и самым буквальным образом достаточно безопасна, чтобы ее съесть. Говорит Билл Джой:

Я думаю, что, используя эти технологии, мы сможем хранить и поставлять киловатт-час за один цент. Так что я могу пропустить неравномерный поток энергии ветра через мою систему Aquion и уплотнить ее еще примерно за один цент за киловатт-час. И это все затраты. Через несколько лет вы увидите эти продукты на рынке. А после этого я не вижу ни одной причины, по которой мы не смогли бы получить надежные возобновляемые источники энергии с накопителями.

Профессор Массачусетского технологического института Дональд Садоуэй,^[549] один из главных мировых авторитетов в области химии твердого тела, также смотрит на будущее хранилищ с накопителями оптимистично. При поддержке Агентства передовых исследований в области энергетики (Advanced Research Projects Agency-Energy, ARPA-E) и фонда Билла Гейтса Садоуэй разработал и продемонстрировал жидкометаллический аккумулятор (Liquid Metal Battery, LMB),^[550] идея которого возникла под впечатлением от высокой плотности тока и огромных масштабов производства на алюминиевых заводах. Температура внутри LMB достаточно высока, чтобы удерживать в жидком состоянии два металла-компонента. Один из них (например, сурьма) имеет высокую плотность и опускается на дно. Второй, с низкой плотностью – например, магний, – всплывает. Между ними расположен электролит из расплавленной соли, способствующий обмену электрическими зарядами. В результате получился аккумулятор с зарядом в 10 раз больше, чем у самых продвинутых современных батарей, но при этом с простой и дешевой конструкцией, который стоит 250 долларов за киловатт-час с полной установкой – в десять с лишним раз дешевле, чем литий-ионные батареи. К тому же разработка Садоуэя легко масштабируется. По словам инноватора,

сегодняшние рабочие прототипы LMB имеют размер хоккейной шайбы и максимальную емкость 20 Вт·ч. Но мы уже работаем над бóльшими по размеру батареями. Представьте себе устройство размером с морозилку и емкостью 30 кВт·ч – оно будет способно обеспечивать ваш дом энергией в течение дня. Мы разрабатываем их с таким расчетом, чтобы их можно было «установить и забыть», то есть они смогут работать по 15–20 лет без всякого человеческого вмешательства. Это будет дешевое, тихое устройство, не нуждающееся в обслуживании и не производящее газов с парниковым эффектом, причем изготовлено оно будет из материалов, имеющихся в природе в изобилии.

Бытовое устройство такого рода будет стоить около 7500 долларов. Если учесть, что оно будет работать в течение пятнадцати лет, и добавить стоимость установки, то домашний LMB обойдется хозяину меньше чем в 75 долларов в месяц.

Однако главная прелесть этих систем заключается в их потенциальной масштабируемости. LMB размером с морской контейнер сможет обеспечить энергией целый квартал; мощности LMB размером с супермаркет хватит на небольшой город. «В течение следующего десятилетия мы планируем производить LMB размером с контейнеры, а вскоре их сменят устройства семейного размера, – говорит Садоуэй. – Нам четко видна цель, и на пути к ее достижению нам не нужны какие-то волшебные прорывы».

Конечно, если мы действительно решим проблему хранения и сделаем повсеместной солнечную энергию и энергию ветра, встанет вопрос: что же нам делать со всеми этими грязными угольными электростанциями? На этот счет у Билла Джоя тоже есть идеи:

Сложно поверить, что энергетические компании откажутся от полностью амортизированных активов, которые каждый день генерируют прибыль. Что нам нужно – так это поменять модель и превратить угольные электростанции в предприятия аварийного резерва. Мы можем применять на 100 % возобновляемую энергию, а тепловые электростанции запускать только в тех случаях, когда прогноз погоды обещает нам большие проблемы. Мы просто будем оплачивать их содержание в рабочем состоянии и время от времени запускать – как мы в случае нужды запускаем аварийный генератор.