Ископаемое топливо источник загрязнений

 

При сжигании углеводородов происходит реакция горения. Этим термином мы, химики, обозначаем все реакции, в которых органическая молекула взаимодействует с кислородом, превращаясь в воду и углекислый газ. Внутри двигателя внутреннего сгорания, движущего автомобиль, тепловая энергия, освобождаемая при окислении углеводородов, превращается в механическую энергию, вращающую колеса. Возьмем, к примеру, метан – тот самый бытовой газ; интересующая нас реакция записывается следующим образом:

 

 

Интересно, что, если мы возьмем намного более сложную органическую молекулу, как, например, молекулы древесины, результат будет тем же самым: вода и углекислый газ. Вода и углекислый газ являются конечными продуктами нашего метаболизма. Мы получаем энергию для нашего тела, «сжигая» жиры или сахара: вдыхаем кислород и выделяем воду и углекислый газ. Разница в том, что, вместо того чтобы вступать в реакцию с кислородом непосредственно, горя красивым пламенем, углеводороды в нашем организме задействованы во множестве различных химических реакций, которые мало-помалу «добывают» энергию из органических веществ, которыми мы питаемся, пока не превратят их в углекислый газ и воду. Если бы наш организм производил сжигание напрямую, мы бы получали сразу большое количество тепловой энергии за короткое время, но для нас это было бы бесполезно. 

 

Нам достаточно небольшое количество тепла для поддержания температуры тела, в то время как большая часть энергии из продуктов питания превращается в химическую энергию, необходимую для синтезирования других веществ, которые нужны нам для различных физиологических процессов, определяющих жизнь. Реакция горения – это пример изотермической реакции, при которой во внешнюю среду выделяется много тепла. По этой причине мы можем использовать метан для обогрева или приготовления пищи – небольшое количество углеводородов довольно быстро высвобождает весьма значительное количество энергии. Другие реакции являются эндотермическими, то есть не высвобождают энергию, а поглощают ее извне. Примером эндотермической реакции может служить применение льда для охлаждения травмированных частей тела спортсменов.

 

Большое количество тепла, высвобождаемое при реакции горения, определяет столь важное значение углеводородов для общества. Кроме того, это процесс, посредством которого можно получить большое количество энергии из относительно небольшой массы топлива, легко поддающегося транспортировке и (в настоящее время) достаточно доступного. Этот процесс не требует сложных инструментов, его несложно поддерживать, и он может быть запущен в любой момент по нашему усмотрению.

Хотя в результате сжигания углеводородов образуется вода и углекислый газ, в точности как и сжигание сахаров в нашем теле, целовать нашего партнера занятие куда как более приятное, чем приникать к выхлопной трубе автомобиля с работающим двигателем. Как же так?

 

Причин, как правило, две:

 

• воздух содержит не только кислород, но и азот;

• реакция горения происходит не в идеальных условиях и приводит к образованию побочных загрязняющих среду продуктов.

 

Когда мы сжигаем углеводороды в присутствии большого количества кислорода, они как раз и превращаются в воду и углекислый газ.

 

Углекислый газ не опасен для человека, но именно он ответственен за парниковый эффект в атмосфере и повышение средних глобальных температур, которые уже влияют на экосистемы Земли. Это фундаментальное экологическое ограничение, связанное с использованием углеводородов, потому что даже самые чистые и эффективные двигатели тем не менее выделяют достаточно CO2, являющегося, как мы уже убедились, неотъемлемым продуктом горения. Несмотря на то что еще хватает радетелей за нефтяную индустрию, утверждающих, что глобальное потепление не связано с человеком, эта зависимость доказана всеми международными научными институциями. Большинство ученых, занимающихся климатом и науками о Земле, согласны в том, что глобальное потепление не только реально, но и вызвано именно деятельностью человека, а выбросы углекислого газа являются важнейшей причиной этого явления.

 

Возвращаясь к нашим автомобилям: в двигателе сгорание происходит в условиях, далеких от идеальных, как потому, что в качестве одного из компонентов используется воздух, в котором присутствует азот, так и потому, что количество кислорода в нем не всегда достаточно для полного сгорания.

 

Азот из воздуха превращается во время сгорания в оксиды азота, которые, в отличие от углекислого газа, как раз вредны не только для планеты, но и для нашего здоровья. Азот сам по себе – молекула инертная, то есть с трудом вступает во взаимодействие. Но в автомобильном двигателе, при повышенных температуре и давлении, небольшое (но тем не менее не пренебрежительно малое) количество кислорода из воздуха вступает в реакцию с азотом. Результатом реакции становится сложная смесь N2O, NO или NO2, обозначаемая обычно NOx. Оксиды азота – чрезвычайно опасные токсичные вещества не только потому, что являются основной причиной кислотных дождей, вместе с оксидами серы, но и потому, что действуют непосредственно на дыхательную систему. Вместе с озоном оксиды азота определяют запах ядовитого смога. Особенно опасны в этом отношении дизельные двигатели – они более эффективны, чем бензиновые, в них ниже выбросы углекислого газа и других загрязнений, но они работают на более высоких температурах и давлении и, соответственно, производят больше оксидов азота.

 

Озон является не менее агрессивным для природы веществом, и его присутствие в атмосфере городов непосредственно привязано к концентрации NOx. Его молекула имеет особенности – она похожа на кислород, которым мы дышим. Единственная разница между молекулами кислорода и озона состоит в лишнем атоме кислорода: в первой их два (O2), а во второй – три (O3). Кажется, какая ерунда, однако эта разница имеет огромное значение. Озон очень легко вступает в реакции и, хотя его присутствие очень важно в верхних слоях атмосферы, где он служит защитой от опасного ультрафиолетового излучения, в нижних слоях атмосферы он очень токсичен. Он образуется во время различных энергоемких явлений, вроде ударов молний, а также при попадании солнечного света на смесь оксидов азота и кислорода – при поддержке со стороны другой группы загрязнителей природы, летучих органических соединений. Его содержание в городской атмосфере может достигать опасных величин и воздействовать не только на дыхательную систему, но и на иммунную и репродуктивную.

 

Неполное сжигание углеводородов, из которых состоит топливо, вызвано тем, что кислорода иногда недостаточно для превращения их в углекислый газ, и приводит к тому, что образуется монооксид углерода (CO), чрезвычайно токсичный, ядовитый угарный газ. Озон и оксиды азота – вонючие, вызывают раздражение; а оксид углерода не имеет ни цвета, ни запаха, ни вкуса, но намного опаснее. Согласно данным Министерства здравоохранения Италии, ежегодно около пятисот итальянцев умирают от отравления угарным гадом, две трети из них – самоубийства. Оксид углерода обладает способностью связывать гемоглобин, белок, входящий в состав красных кровяных телец, участвующих в переносе кислорода. Он связывает его мощно и практически необратимо, дезактивируя эритроциты и делая их неспособными выполнять свои функции. Связь СО и гемоглобина в триста раз мощнее, чем его связь с кислородом, поэтому после того, как гемоглобин вступает во взаимодействие с СО, отделить его невозможно. Результатом становится медленная и необратимая, но безболезненная асфиксия. Каждую зиму сотни людей погибают во сне, отравленные этим газом в результате неисправности старых отопительных систем, газовых плит, каминов и других отопительных приборов, не соответствующих нормам. Когда вы курите сигарету, вы тоже вдыхаете небольшое, но заметное количество оксида углерода, и он связывает ваш гемоглобин. Именно поэтому курильщики быстрее утомляются и обладают сниженной дыхательной способностью. Даже бросив курить, они не могут быть уверены еще долгие месяцы и даже годы, что у них больше нет оксида углерода в крови…

 

Катализатор (каталитический конвертер) позволяет значительно снизить количество вредных веществ, выделяемых двигателем в виде выхлопных газов. Некоторые химические реакции текут слишком медленно, чтобы приводить к результатам, однако при использовании катализатора, пусть и присутствующего в микроскопических количествах, они ускоряются. Автомобильный катализатор представляет собой решетку с очень узкими отверстиями-каналами, сквозь которые проходит автомобильный выхлоп, насыщенный угарным газом, оксидами азота и остатками несгоревшего топлива. Каналы покрыты изнутри смесью составов, ускоряющих три разных процесса:

 

• окисление угарного газа до углекислого газа;

• окисление несгоревших углеводородов до воды и углекислого газа;

• разложение оксидов азота на молекулярный азот и кислород.

 

Платина, родий, палладий, церий – это лишь некоторые из множества редких металлов, используемых в самых различных моделях конверторов и превращающих их буквально в «драгоценность». Эти металлы встречаются на нашей планете в очень небольших количествах, их довольно сложно добывать; к счастью, когда у катализатора истекает срок годности, его можно переработать практически целиком. Благодаря катализатору и сложной системе сенсорных датчиков, которые позволяют двигателю потреблять идеальную порцию воздуха для сгорания топлива, современные двигатели гораздо меньше загрязняют окружающую среду и работают намного эффективнее, чем всего несколько лет назад.

 

Но, несмотря на изменения и улучшения, которые мы внедряем, мы сознаем, что это только полумеры, приносящие пользу лишь на местном уровне, позволяя избегать вдыхания значительных количеств токсичных веществ и сэкономить немного на топливе; тем не менее они не решают серьезную проблему выбросов и не отменяют тот факт, что запасы ископаемого топлива не бесконечны. Главная задача – не столько улучшить то, что мы имеем, сколько сделать возможной новую парадигму, которая позволит снять зависимость от нефтяных скважин. Что делать?

 

Одной из возможностей могло бы стать изобретение каких-нибудь способов создания искусственного топлива, исключив скважины и добычу. Этот подход является новым не столько с экологической точки зрения, поскольку при нем продолжается сжигание углеводородов, но прежде всего с геополитической. Ученые из самых разных стран доказали это уже много лет назад, еще во времена нацистской Германии. Самой известной технологией является процесс Фишера – Тропша, разработанный в 20-х годах прошлого века и названный в честь двух немецких физиков Франца Фишера и Ханса Тропша: они запатентовали реакцию, работая исследователями в Институте Кайзера Вильгельма в Берлине. С помощью этой методики можно превратить в жидкое топливо газообразную смесь окиси углерода и водорода, полученную благодаря технике газификации пород, богатых углеродом, – ископаемого угля, битуминозных песков или биомассы, извлекающей из них водород, CO и CO2. После удаления углекислого газа смесь CO и H2 вступает в реакцию при температуре 200 °C и давлении в пять атмосфер в присутствии катализатора – как правило, соединений кобальта.

 

В Германии всегда было много месторождений угля, но практически нет нефти, поэтому нацистский режим активно инвестировал в эту и подобные ей технологии, чтобы обрести независимость от поставок нефти. После войны технология, основанная на процессе Фишера – Тропша, быстро была внедрена в США и в усовершенствованном и осовремененном виде распространилась по всему миру, добравшись до ЮАР. Там в 50-х годах была создана компания Sasol, которая начала коммерциализацию синтетического топлива. Она работает и сегодня и является крупнейшим мировым производителем.

 

Несмотря на то что этот вид топлива обладает более высокой степенью чистоты, чем производные нефти, поскольку в нем нет серы и ароматических углеводородов (последние чрезвычайно канцерогенны), его изготовление все-таки требует использования невозобновляемых источников сырья, таких, к примеру, как уголь. И это огромный недостаток – подобная стратегия является просто заметанием мусора под ковер, а не решением проблемы с энергоснабжением.

 

Некоторые химики вместо этого ищут способы непосредственного использования для синтеза топлива углекислого газа из атмосферы с помощью систем «захвата CO2». Недавно группа немецких исследователей предложила оснастить обычные домашние кондиционеры устройством, которое захватывает углекислый газ и заставляет его вступить в реакцию с водородом, добытым из влажного воздуха, с помощью специального катализатора. Эта система могла бы позволить обычному дому на пять-шесть квартир добывать около 500 г углекислого газа в час. Несмотря на оригинальность идеи, даже в этом случае мы получаем лишь временную меру, не решающей проблему в целом. Предложенный цикл в качестве исходных веществ использует воду и углекислый газ, чтобы получить топливо, сжигая которое мы опять получим воду и углекислый газ. А как вы уже поняли, любой подобный цикл всегда приводит к потерям, поэтому и в этом случае нам все равно не будет хватать энергии. Даже если бы вся потребляемая энергия добывалась бы из возобновляемых источников, то это бы поправило положение, но не решило бы проблему загрязнения городов; а потери энергии были бы по-прежнему велики. Энергию надо бы использовать более экономно, например путем езды на электромобиле, как мы увидим дальше.

 

Другая стратегия предлагает получать топливо, используя в качестве источника углерода биомассу. Что такое биомасса? Со строго научной точки зрения это нечто иное, как совокупность всех животных и растительных организмов, присутствующих в данной среде. На практике обычно имеются в виду растительные остатки – дерево, солома и тому подобное, которые можно использовать для получения энергии разными способами (процессы, аналогичные процессу Фишера – Тропша существуют и для этих материалов), но в основном их используют, сжигая для получения тепла – в домашней печи или в котле электростанции – или сбраживая с целью образования биотоплива, например биоэтанола.

 

Ферментация – это метаболический процесс, с помощью которого многие микроорганизмы получают энергию из органического материала без использования кислорода. Наше тело использует сахара, белки и жиры для того, чтобы добыть энергию и синтезировать с ее помощью нужные вещества, точно так же действуют и дрожжи с бактериями; многие микроорганизмы синтезируют этанол, молочную кислоту и другие органические соединения, в зависимости от природы микроорганизма или условий, в которых он находится. Алкогольная ферментация является наиболее известным типом ферментации, это процесс, в котором сахара превращаются в этанол благодаря действиям дрожжей. Дрожжи – это особый класс микроскопических грибов, так называемых сахаромицетов, самым известным представителем которых является Saccharomyces cerevisae – пивные дрожжи. Они были известны еще египтянам и шумерам, с их помощью они производили вино и пиво. Биоэтанол на самом деле – обычный этиловый спирт, образующийся в результате ферментации сельхозпродукции, такой как сахарный тростник, свекла, кукуруза, злаки и даже солома.

 

Этот подход на первый взгляд может показаться обещающим, поскольку основан на цикле, кажущемся с теоретической точки зрения вполне устойчивым и возобновляемым, однако использование биотоплива достаточно дорого и с социальной, и с природозащитной точек зрения. Земледелие представляет собой один из видов человеческой деятельности, заметно влияющий на планету и находящийся сегодня уже на пределе возможностей. Идея использования тысяч тонн пищевых продуктов для получения топлива вместо пропитания людей, выделение с этой целью почв для выращивания монокультур, ведущее к их утрате для сельского хозяйства, никак не годится на роль долгосрочной и надежной перспективы. Даже использование ГМО и самых современных сельхозтехник не делают идею использования биодизеля для всех моторных транспортных средств менее призрачной и не устраняют возможные негативные социальные и экологические последствия.

 

Пора придумать что-то по-настоящему новое, полностью отличное от традиционной идеи двигателя внутреннего сгорания.