Исследователи Virginia Tech нашли способ создания водородного топлива с использованием биологического метода, который значительно сокращает время и деньги, необходимые для получения топлива с нулевым уровнем выбросов. Этот метод использует кукурузные стебли и шелуху для получения водорода.

Результаты работы ученых, опубликованные в понедельник в Трудах Национальной академии наук, могут ускорить повсеместное прибытие водородных транспортных средств. И это хорошо, потому что водородного топлива будет хватать всегда, а выбросы углерода в воздух у него нулевые.

«Мы показали, что самый важный шаг на пути к водородной экономике — производство распределенного и доступного зеленого водорода из местных ресурсов биомассы», — рассказал Персиваль Чжан, профессор кафедры инженерии биологических систем. Ученые уже получили значительное финансирование для следующей стадии проекта — увеличения масштабов производства в рамках демонстрации.

«Несмотря на то, что стоимость на данный момент сложно спрогнозировать, работа представляет революционный подход, предлагающий много новых преимуществ. Эти ученые, безусловно, расширили сферу нашего мышления о метаболизме и о том, какую роль он играет в будущем альтернативной энергетики».

Джой Роллин, бывший докторант Чжана в Virginia Tech, а также соучредитель стартапа Cell-free Bioinnovations, — ведущий автор работы. Эта работа опирается на предыдущие исследования Чжана ксилозы, самого распространенного «древесного сахара», как производителя водорода, но они были по большей части теоретическими.

Новое открытие уникально в двух направлениях.

В отличие от других методов производства водородного топлива, которые полагаются на сахара высокой степени обработки, команда Virginia Tech использовала грязную биомассу — шелуху и стебли кукурузы — для создания своего топлива. Это не только снизило начальные затраты на создание топлива, но и обеспечило легкодоступный источник вблизи перерабатывающих заводов, тем самым позволив создавать топливо на местных предприятиях.

Роллин использовал генетический алгоритм наряду с серией сложных математических выражений, чтобы проанализировать каждый шаг ферментативного процесса, расщепляющего кукурузные стебли на водород и диоксид углерода. Он также подтвердил способность этой системы использовать сахарную глюкозу и ксилозу одновременно, что увеличивает скорость производства водорода. Обычно в процессе биологических конверсий два этих сахара могут использоваться поочередно, но не совместно, что увеличивает временные и финансовые затраты в процессе реализации.

Одним из самых больших препятствий на пути широкого применения водорода — это капитальные затраты, необходимые для производства топлива из природного газа на крупных заводах. Доставка водорода пользователям с водородным транспортом — еще одна проблема.

Модель Роллина увеличивает скорость реакции в три раза, снижая размеры фабрики до размеров газовой станции, что еще больше сокращает расходы. Основным способом производства водорода на сегодня является использование природного газа, который тоже недешево доставлять и после которого остаются выбросы углерода.

Для производства распределенного водорода по доступным ценам, нужно решить вопросы с качеством продукта, скоростью реакции и разделением продуктов. С точки зрения выпуска продукта, использование бесклеточного искусственного ферментативного способа не только преодолевает естественные лимиты производства водорода микроорганизмами в три раза, но и позволяет избежать сложного регулирования потока сахара.

Команда ученых также повысила скорость реакции. Теперь она достаточна для производства водорода на отдельных заправочных станциях. Скорость реакции по меньшей мере в 10 раз быстрее, чем может самая быстрая из существующих систем производства водорода.

Реакция, которую изучают ученые, протекает в скромных условиях. Это значит, что водород легко можно отделить от водных реагентов и ферментов. Кроме того, ферментативные реакции, которые используются в этой системе, позволяют генерировать крайне чистый водород, идеально подходящий для водородного транспорта.

Скромные условия реакции также указывают на низкие необходимые капитальные вложения для строительства заправочных станций, производящих и поставляющих водород по этой технологии.

«Мы считаем, что у этой невероятной технологии есть потенциал, позволяющий широко распространить транспорт на основе водорода по всему миру и отказаться от ископаемого топлива», — говорит Роллин. И мы не можем с ним не согласиться. Как сказал другой сторонник чистого топлива, Элон Маск, «сжигание ископаемого топлива — тупейший эксперимент в истории человечества».