Опубликовано 02.03 11:00

«Электросельское хозяйство» может помочь растениям расти в темноте

Этот процесс эффективнее фотосинтеза, но требует электричества.

Растения используют фотосинтез для преобразования углекислого газа (CO₂ ) в молекулы, которые они могут метаболизировать. Однако это не единственный процесс, способный генерировать эти молекулы, и в новой статье , опубликованной 23 октября в журнале Joule , рассматривается возможность обеспечения растений питанием посредством процесса, который позволил бы им расти вообще без фотосинтеза.

Если бы это удалось, это позволило бы растениям расти без солнечного света, открыв двери для того, что в статье называется «электросельским хозяйством». В статье предсказывается утопическое будущее, где сельскохозяйственные культуры можно было бы выращивать в самых разных местах, где в настоящее время сельское хозяйство невозможно — в качестве возможных вариантов приводятся «городские центры, засушливые пустыни и даже космические условия», — в то время как обширные участки земли, используемые в настоящее время для сельского хозяйства, можно было бы засадить деревьями. В статье также высказываются предположения о возможности использования этой технологии в космосе и/или на Марсе.

В основе этих амбициозных целей лежит относительно обыденный метод: электролиз , то есть использование электрического тока для запуска химической реакции. Этот процесс существует уже сотни лет — он был впервые разработан в конце XVIII века и, как известно, использовался британским химиком сэром Хамфри Дэви для выделения множества новых элементов в начале 1800-х годов. Сегодня он используется для самых разных целей, от очистки металлов до удаления волос .

Электролиз CO₂ приводит к образованию множества основных углеводородов и связанных с ними простых молекул; примерами являются метанол, этанол, этилен, формиат и ацетат. Однако не все из них могут метаболизироваться растениями, а те, которые могут — этанол и ацетат — относительно трудно получить .

Как объясняет Фэн Цзяо, один из соавторов статьи, в интервью Popular Science : «При базовом электролизе CO₂ ацетат является второстепенным продуктом с селективностью менее 10%». Для того чтобы электролиз стал жизнеспособным источником питания для растений, этот показатель необходимо значительно увеличить. В статье описывается ключевой прогресс в этой области: использование двухэтапного подхода, который исследователи называют «тандемным процессом электролиза». В этом процессе CO₂ сначала восстанавливается до монооксида углерода (CO). Второй этап включает преобразование CO в ацетат.

Это позволяет избежать проблемы, связанной с прямой конверсией CO₂ в ацетат: CO₂ — кислый газ, тогда как ацетат — как анион — является основным. В отличие от него, CO₂ не является кислым, и, как объясняет Цзяо: «В результате высокий pH… способствует образованию ацетата во время электрокаталитической реакции восстановления CO₂. Именно поэтому тандемный процесс демонстрирует гораздо более высокую эффективность в производстве ацетата». Насколько выше? Цзяо говорит: «Этот… процесс позволяет достичь селективности по ацетату почти в 90%».

Оставшиеся 10% составляют побочные продукты, в основном этилен и водород. Оба, как отмечает Цзяо, могут быть использованы с пользой: «[Этилен и водород] — широко используемые в промышленности товарные химикаты, которые можно перепрофилировать для других целей, например, для преобразования этилена в пластмассы и полимеры».

Конечно, как следует из названия, электролиз требует электричества. В этом отношении электросельское хозяйство принципиально отличается от традиционного сельского хозяйства: хотя фермы, очевидно, потребляют электроэнергию, на самом базовом уровне фотосинтез не требует энергии.

В идеальном мире, по словам Цзяо, энергия для электросельского хозяйства поступала бы из возобновляемых источников, хотя он признает, что это не обязательно : «Электроэнергию можно получать из существующей сети, и она не обязательно должна быть возобновляемой». В статье предполагается выращивание растений в многоярусных конструкциях, на крышах которых установлены солнечные панели. (Использование солнечной энергии также было бы выгодно, говорит Цзяо, потому что «некоторые растения могут лучше расти в условиях низкой освещенности, чем в полной темноте»).

Однако для масштабного внедрения электросельского хозяйства потребуется большое количество солнечных панелей. В статье подсчитано, что для обеспечения продовольствием всей территории США с использованием тандемного процесса электросельскому хозяйству потребуется 19 600 ТВт·ч в год — почти в пять раз больше, чем весь спрос на электроэнергию в США в 2023 году.

Конечно, никто не выступает за полную реструктуризацию продовольственной цепочки США на основе электролиза, и электросельское хозяйство можно было бы внедрять в гораздо меньших масштабах, чтобы, например, выращивать продукты питания в городских районах, где их мало. Однако, помимо таких применений, возникает очевидный вопрос: есть ли какие-либо преимущества в использовании солнечной энергии для электролиза, вместо того чтобы просто позволить растениям использовать ее для фотосинтеза?

В статье отмечается, что сам по себе электролиз является значительно более эффективным процессом, чем фотосинтез: «Используя те же основные ресурсы, что и при фотосинтезе (CO₂ , солнечный свет и вода), электросельское хозяйство обеспечивает как минимум четырехкратное повышение эффективности преобразования солнечной энергии в продукты питания по сравнению с традиционным земледелием». Оно также может обеспечить другие преимущества, такие как сокращение стока удобрений: Цзяо говорит, что «при выращивании растений в контролируемой среде использование удобрений может быть значительно улучшено за счет предотвращения стока. В сочетании с высокой эффективностью преобразования солнечной энергии в биомассу [электросельское хозяйство] может сократить потери удобрений на целых 90%».

Помимо вопроса об энергопотреблении, еще один насущный вопрос о жизнеспособности электросельского хозяйства — это вопрос о том, откуда будет поступать CO₂. Растения, выращиваемые на открытом воздухе, фотосинтезируют атмосферный CO₂ , но электросельское хозяйство потребует специальных источников этого газа. В статье рассматривается, какую часть населения США можно было бы прокормить, улавливая 963 млн тонн CO₂ , которые в настоящее время вырабатываются для обеспечения энергией промышленного сектора США, что составляет 56% населения. Экстраполируя это на количество CO₂, необходимое для пропитания всего населения США, получаем цифру в 1719 млн тонн.

Опять же, это огромная сумма: для сравнения, чистые выбросы всей территории США в 2024 году составили 5489 млн тонн эквивалента CO₂ . Теоретически, это кажется идеальным способом использования этих выбросов, но, хотя улавливание и хранение углерода давно предлагается как панацея от изменения климата, в 2024 году это остается в значительной степени гипотетическим решением: во всем мире действуют всего 50 проектов по улавливанию и хранению углерода , и они могут улавливать в общей сложности 51 млн тонн CO₂ в год.

Несмотря на представленные в статье картины будущего, где «половина [земельных] владений [США] может быть освобождена для восстановления экосистем и естественного поглощения углерода», идея использования электролиза в качестве полной замены традиционного сельского хозяйства кажется очень далекой — по крайней мере, на Земле. Как отмечается в статье, атмосфера Марса на 95% состоит из CO₂ , что, возможно, указывает на еще одну причину, по которой «в последнее время многие работы направлены на продвижение электросельскохозяйственных технологий к коммерциализации».

Вернувшись на Землю, можно с уверенностью сказать, что, хотя значительное повышение эффективности производства ацетата делает электролиз CO₂ многообещающим методом, существуют серьезные проблемы с его внедрением. Цзяо прогнозирует, что новая технология может найти нишевое применение в течение десятилетия, но в конечном итоге, «выращивание растений без света все еще находится на ранней стадии. Для полной коммерциализации этой технологии и реализации ее полного потенциала необходимы дальнейшие исследования и разработки».

Tom Hawking “‘Electro-agriculture’ may help plants grow in the dark”

Перевод статьи «Electro-agriculture’ may help plants grow in the dark» автора Tom Hawking, оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык