Автострады забиты машинами, супермаркеты забиты удобрениями, выращенными на дальних полях, и практически все, к чему мы прикасаемся, получено из пластмассы на нефтяной основе. Трудно представить себе жизнь за пределами нашего мира, работающего на ископаемом топливе. Черное золото принесло нам беспрецедентное процветание, но оно также загрязнило нашу окружающую среду, возможно непоправимо, и его запасы ограничены. Что теперь?
Ответ, мой друг, дует по ветру. Но не в той жалобной, недостижимой манере, которую выражал Боб Дилан в своих знаменитых текстах. Живительный азот окружает нас повсюду, и, по словам биохимика из Университета штата Юта Лэнса Сифельдта и других ведущих ученых, он является ключом к устойчивому развитию помимо невозобновляемых источников энергии.
Управление фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США собрало Зеефельдта и 16 других экспертов по исследованиям азота в Вашингтоне, округ Колумбия, на саммит в октябре 2016 года, чтобы обсудить текущую область химии активации азота и ее будущие направления. Команда сообщает о своих выводах в обзорной статье в выпуске журнала Science от 25 мая 2018 года.
"Это собрание было посвящено исследованиям азота", - говорит Зеефельдт, профессор кафедры химии и биохимии УрГУ, член Американской академии содействия развитию науки и сопредседатель собрания.«В нашу группу входил лауреат Нобелевской премии Роберт Шрок, и кульминация наших усилий - поистине проявление силы. Никто из нас по отдельности не смог бы написать этот отчет».
Для всей жизни на Земле требуется азот, и колоссальные 80 процентов атмосферы планеты в форме диазота состоят из поддерживающего жизнь газа. Тем не менее, ни животные, ни растения не имеют прямого доступа к азоту.
«Это невероятная ирония», - говорит Зеефельдт. «Нам нужен азот, чтобы выжить, и мы плаваем в его море, но не можем добраться до него. Люди и животные получают азот из белков в нашей пище. Растения получают азот из почвы».
Вот где ископаемое топливо появилось около века назад. Немецкие ученые Франц Габер и Карл Бёш первыми разработали революционный процесс, позволяющий разрушить сверхпрочные связи азота и обеспечить производство удобрений в промышленных масштабах, что привело к беспрецедентному росту мировых запасов продовольствия и, следовательно, населения мира.
«Это было одно из технологических чудес истории, но в настоящее время оно потребляет около двух процентов мировых запасов ископаемого топлива и, таким образом, имеет очень большой углеродный след», - говорит Зеефельдт..
Какие выводы он и его коллеги-ученые сделали на своем саммите? Пришло время совершить новую революцию.
«Существуют возможности для достижения радикально улучшенных, новых и иных путей (достижения превращения азота)», - пишут ученые. «Но прогресс в этом отношении потребует понимания реакций превращения азота на молекулярном уровне, а также… открытия новых каталитических систем и альтернативных способов доставки энергии, необходимой для запуска этих реакций».
Зеефельдт и его команда УрГУ, чьи исследования поддерживаются Министерством энергетики, уже предприняли усилия по созданию чистого и возобновляемого процесса преобразования азота в аммиак, основного компонента удобрений, при помощи света.
«Наше исследование этого процесса, в котором используются наноматериалы для улавливания световой энергии, демонстрирует, как солнечный или искусственный свет может усиливать фиксацию азота», - говорит Зеефельдт. «Это потенциально изменит правила игры».
Авторами научной статьи, помимо Зеефельдта, являются Шрок из Массачусетского технологического института; ведущий автор Jingguang Chen, Колумбийский университет; Ричард Крукс, Техасский университет в Остине; Кара Брен, Университет Рочестера; Моррис Буллок, Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория; Марсетта Даренсбур, Техасский университет A&M; Патрик Холланд, Йельский университет; Брайан Хоффман и Меркури Канацидес, Северо-Западный университет; Майкл Джаник, Университет штата Пенсильвания; Энн Джонс, Университет штата Аризона; Пол Кинг, Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии; Кайл Ланкастер, Корнельский университет; Сергей Лаймар, Брукхейвенская национальная лаборатория, Питер Пфромм, Университет штата Вашингтон и Уильям Шнайдер, Университет Нотр-Дам.