Исследователи Массачусетского технологического института разработали простую и недорогую технологию, которая могла бы существенно ограничить это загрязнение, потенциально обеспечивая гораздо более эффективный и экономичный способ преобразования нежелательного парникового газа в полезные продукты.

Главное - покрыть прозрачные контейнеры материалом, способным удерживать электростатический заряд, а затем приложить к этому слою очень небольшое напряжение. Система хорошо зарекомендовала себя в лабораторных испытаниях и при дальнейшем развитии может быть применена в коммерческом производстве в течение нескольких лет.

Результаты исследования публикуются в журнале Современные функциональные материалы, в статье недавнего выпускника Массачусетского технологического института Виктора Леона PhD '23, профессора машиностроения Крипы Варанаси, бывшего постдока Батиста Блана и студентки бакалавриата Софии Соннерт.

Независимо от того, насколько успешными могут быть усилия по сокращению или ликвидации выбросов углекислого газа, все равно останется избыток парниковых газов, которые будут оставаться в атмосфере на протяжении столетий, продолжая влиять на глобальный климат, указывает Варанаси. "Там уже много углекислого газа, поэтому мы также должны рассмотреть технологии с отрицательными выбросами", - говорит он, имея в виду способы удаления парниковых газов из воздуха или океанов, или из их источников, прежде чем они вообще попадут в атмосферу.

Когда люди думают о биологических подходах к сокращению выбросов углекислого газа, первая мысль обычно заключается в посадке или защите деревьев, которые действительно являются важнейшим "поглотителем" атмосферного углерода. Но есть и другие. "На долю морских водорослей приходится около 50 процентов глобального поглощения углекислого газа сегодня на Земле", - говорит Варанаси. Эти водоросли растут в 10-50 раз быстрее, чем наземные растения, и их можно выращивать в прудах или резервуарах, которые занимают лишь десятую часть площади суши, занимаемой наземными растениями.

Более того, сами водоросли тогда могут стать полезным продуктом. "Эти водоросли богаты белками, витаминами и другими питательными веществами", - говорит Варанаси, отмечая, что они могут производить гораздо больше питательных веществ на единицу используемой земли, чем некоторые традиционные сельскохозяйственные культуры.

При присоединении к дымовым газам угольной или газовой электростанции водоросли могли бы не только процветать на углекислом газе в качестве источника питательных веществ, но и некоторые виды микроводорослей могли бы также потреблять связанные с ними оксиды азота и серы, присутствующие в этих выбросах. "На каждые два-три килограмма CO₂ Можно было бы произвести килограмм водорослей, и их можно было бы использовать в качестве биотоплива, или для получения Омега-3, или в пищу", - говорит Варанаси.

Омега-3 жирные кислоты являются широко используемой пищевой добавкой, поскольку они являются неотъемлемой частью клеточных мембран и других тканей, но не могут вырабатываться организмом и должны быть получены с пищей. "Омега-3 особенно привлекательна, потому что это также гораздо более ценный продукт", - говорит Варанаси.

Большинство водорослей, выращиваемых в промышленных масштабах, выращиваются в неглубоких прудах, в то время как другие выращиваются в прозрачных пробирках, называемых фотобиореакторами. Трубы могут давать урожайность в семь-10 раз большую, чем пруды на данном участке земли, но они сталкиваются с серьезной проблемой: водоросли имеют тенденцию скапливаться на прозрачных поверхностях, что требует частых отключений всей производственной системы для очистки, что может занять столько же времени, сколько продуктивная часть цикла., что вдвое сокращает общий объем производства и увеличивает эксплуатационные расходы.

Загрязнение также ограничивает конструкцию системы. Трубки не могут быть слишком маленькими, потому что засорение начнет блокировать поток воды через биореактор и потребует более высокой скорости откачки.

Варанаси и его команда решили попробовать использовать естественную характеристику клеток водорослей для защиты от загрязнения. Поскольку клетки естественным образом несут небольшой отрицательный электрический заряд на поверхности своей мембраны, команда предположила, что для их отталкивания можно использовать электростатическое отталкивание.

Идея состояла в том, чтобы создать отрицательный заряд на стенках сосуда таким образом, чтобы электрическое поле отталкивало клетки водорослей от стенок. Для создания такого электрического поля требуется высокоэффективный диэлектрический материал, который представляет собой электрический изолятор с высокой "диэлектрической проницаемостью", способный производить большое изменение поверхностного заряда при меньшем напряжении.

"То, что люди раньше делали с подачей напряжения [на биореакторы], было с проводящими поверхностями, - объясняет Леон, - но то, что мы делаем здесь, конкретно с непроводящими поверхностями".

Он добавляет: "Если он проводящий, то вы пропускаете ток и как бы шокируете клетки. То, что мы пытаемся сделать, - это чистое электростатическое отталкивание, поэтому поверхность была бы отрицательной, а ячейка отрицательной, так что вы получаете отталкивание. По-другому это можно описать как силовое поле, тогда как раньше клетки касались поверхности и испытывали шок".

Команда работала с двумя различными диэлектрическими материалами, диоксидом кремния - по сути, стеклом - и гафнием (оксид гафния), оба из которых оказались гораздо более эффективными в минимизации загрязнения, чем обычные пластмассы, используемые для изготовления фотобиореакторов. Материал может быть нанесен в виде исчезающе тонкого покрытия толщиной всего от 10 до 20 нанометров (миллиардные доли метра), поэтому для покрытия полноценной системы фотобиореактора потребуется совсем немного.

"Что нас здесь радует, так это то, что мы можем показать, что чисто за счет электростатических взаимодействий мы способны контролировать адгезию клеток", - говорит Варанаси. "Это почти как выключатель, чтобы иметь возможность делать это".

Кроме того, Леон говорит: "Поскольку мы используем эту электростатическую силу, мы на самом деле не ожидаем, что она будет специфичной для клеток, и мы думаем, что есть потенциал для ее применения к другим клеткам, а не только к водорослям. В будущей работе мы хотели бы попробовать использовать его с клетками млекопитающих, бактериями, дрожжами и так далее". Его также можно было бы использовать с другими ценными видами водорослей, такими как спирулина, которые широко используются в качестве пищевых добавок.

Одна и та же система может быть использована как для отталкивания, так и для притяжения элементов простым изменением напряжения, в зависимости от конкретного применения. Варанаси предполагает, что вместо водорослей аналогичную установку можно было бы использовать с клетками человека для производства искусственных органов путем создания каркаса, который можно было бы заряжать для привлечения клеток в нужную конфигурацию.

"Наше исследование в основном решает эту серьезную проблему биообрастания, которая была узким местом для фотобиореакторов", - говорит он. "С помощью этой технологии мы теперь действительно можем реализовать весь потенциал" таких систем, хотя для масштабирования до практичных коммерческих систем потребуется дальнейшее развитие.

Что касается того, как скоро это может быть готово к широкому развертыванию, он говорит: "Я не понимаю, почему бы не через три года, если у нас будут необходимые ресурсы, чтобы продолжить эту работу".

Исследование было поддержано энергетической компанией Eni S.p.A. в рамках Энергетической инициативы Массачусетского технологического института.