Британский химик рассказал, как Земля готовится к жизни после нефти - «Наука»

© Новости ДняПрофессор Ричард Кэтлоу

МОСКВА, 25 ноя — Новости Дня. Профессор Ричард Кэтлоу (Richard Catlow), химик из Университетского колледжа Лондона, рассказал Новости Дня о будущем технологий производства топлива из "воздуха", об отношении нефтяных компаний к ним и том, какую роль катализаторы могут сыграть при освоении Марса и других планет.

Ученые создали наноматериал, вырабатывающий спирт из воздухаНа этой неделе в Институте органической химии РАН прошел российско-британский семинар по катализу с участием ведущих российских и британских химиков, в рамках которого ученые обсудили последние открытия и тренды в разработке новых катализаторов, необходимых для того, чтобы человечество могло выжить в новом тысячелетии. Мероприятие состоялось в рамках Года науки и образования Великобритании и России.

— Профессор, за последние годы появились десятки новых катализаторов, многие из которых были созданы благодаря стремительному росту мощности компьютеров. Относительно недавно этот рост замедлился — необходимы ли совершенно новые типы компьютеров для того, чтобы моделировать еще более сложные реакции?

— Это очень правильный и интересный вопрос — вычислительные мощности компьютеров пока продолжают расти очень быстрыми темпами. Всего десять лет назад мы мечтали о компьютерах мощностью в несколько терафлопс, а теперь всерьез рассматриваются проекты по созданию суперкомпьютеров, способных выйти на уровень в эксафлопс.

Конечно, технологии будут меняться и квантовые компьютеры действительно открывают новые возможности для нас, однако пока мы находимся на раннем этапе их развития и мне очень сложно сказать, насколько хорошо они будут решать наши задачи.

Ученые создали окна, способные извлекать "зеленое" топливо из воздуха

Как мне кажется, рост вычислительных мощностей позволит нам создавать гораздо более сложные и реалистичные модели химических реакций, которые происходят внутри катализаторов.

Сегодня мы, по сути, моделируем лишь ключевые регионы и отдельные реакции, которые происходят в них, и в будущем, как я надеюсь, нам удастся не только моделировать весь процесс, но и включать в него все инженерные и физические аспекты, то как происходит перенос энергий и масс. Думаю, по мере роста мощностей компьютеров мы будем приближаться к этой возможности.

— Можно ли в принципе создать программу, которая могла бы предсказывать то, как будет работать тот или иной катализатор, и собирать их из набора компонентов подобно системам автоматизированного проектирования для инженеров?

— Это очень амбициозная и далеко идущая задача, которую пока нам решить не под силу. Только в последние годы мы начали делать первые шаги к предсказаниям каталитических реакций на молекулярном уровне, однако пока нам удается просчитать лишь самые простые их варианты.

В будущем, как я уже сказал, рост компьютерных мощностей позволит нам проводить более сложные симуляции, которые действительно могут дать нам возможность рационально подбирать материалы для ускорения тех или иных реакций. Полное моделирование этого процесса, с учетом всех его инженерных и промышленных аспектов, скорее всего, будет реализовано совсем нескоро.

Китайские химики научились превращать воздух в бензин

Пока мы не можем просто скомандовать компьютеру: "создай мне катализатор для такой-то реакции" и получить его, но мы уже можем делать две вещи — быстро перебирать катализаторы и находить оптимальный вариант, используя системы компьютерного моделирования. Сегодня такие системы уже используются для производства катализирующих сплавов.

С другой стороны, как мне кажется, нам и не нужны полные симуляции каталитических процессов, учитывающие все квантовые эффекты и законы физики. Нужно понимать, что компьютерные расчеты нужны нам не сами по себе, а в качестве дополнительных инструментов, которые помогают нам проводить опыты в реальном мире.

По сути, мы помогаем нашим коллегам-экспериментаторам найти кратчайшую дорогу для создания катализатора, который, к примеру, превращает метан в древесный спирт, а не пытаемся заменить их.

— Китай и Дональд Трамп часто критикуют сегодня те усилия, которые предпринимаются миром для борьбы с глобальным потеплением. Смогут ли катализаторы, способные превращать СО2 в спирт, бензин и другие полезные молекулы, убедить их в том, что переход на зеленые технологии не замедлит экономический рост в США и КНР?

— В данном случае, как мне кажется, не совсем справедливо обвинять в этом Китай. Да, рост китайской экономики уже привел к увеличению числа угольных электростанций на территории Китая, однако правительство КНР, в отличие от текущей администрации США, не пытается отрицать сам факт глобального потепления и активно вкладывает средства в борьбу с ним, в том числе и в создание зеленых технологий.

Проблема заключается в том, что эти технологии пока не могут поддерживать растущие энергетические потребности экономики Китая. Катализаторы, конечно, критически важны для решения этой задачи, к примеру, для создания методик переработки углекислого газа, содержащихся в атмосфере и в других средах.

Крем от загара помог ученым превратить воздух в топливо

Их создание и промышленная адаптация, как мне кажется, вряд ли убедят скептиков в том, что глобальное потепление существует. Сегодня уже накопилось достаточно информации для того, чтобы убедить любого человека в том, что климат Земли меняется и что это происходит в основном по вине человека, однако они продолжают спорить и игнорируют все эти данные.

С другой стороны, фактически все страны, в том числе и Китай, признают то, что эта проблема существует, и активно участвуют в проектах по борьбе с ним, вкладывая средства в создание возобновляемых источников энергии и зеленых технологий.

— За последние два-три года ваши коллеги создали десятки новых наноматериалов и катализаторов, способных превращать метан или углекислый газ, два главных парниковых газа, в древесный или "обычный" спирт и ряд других веществ. Когда они появятся на рынке?

— В целом мне или любому другому человеку крайне тяжело предсказать, станет ли та или иная технология коммерчески привлекательной и когда это произойдет. Здесь есть масса моментов, помимо эффективности работы самого катализатора, это различные социальные, экологические и иные факторы, которые могут приблизить или отдалить ее проникновение в повседневную жизнь.

В данном случае я уверен, что технологии извлечения СО2 из воздуха и его переработки рано или поздно станут коммерчески привлекательными, так как это необходимо не только для борьбы с глобальным потеплением, но и по банальным экономическим причинам.

Нефть и газ, как и другие углеводороды, рано или поздно кончатся, и нам придется искать способы производства того сырья, из которого состоит практически все, что сегодня носит на себе человек, к примеру, моя рубашка.

Российские ученые создали "вечный" катализатор на основе наноматериалов

Когда же это произойдет, сказать очень сложно. К примеру, мой коллега Грэм Хатчинс (Graham Hutchings), один из председателей нашего семинара, выступил с докладом, в котором он рассказал о внедрении в промышленность экологически чистых методов превращения ацетилена в поливинилхлорид, одного из самых важных пластиков на Земле.

Эти "зеленые" реакции были открыты еще в начале 1980 годов, и только сейчас они начали внедряться в производство промышленниками Китая и других стран. Поэтому можно говорить, что могут пройти десятилетия, прежде чем это произойдет.

С другой стороны, я уверен в том, что рано или поздно появятся коммерческие компании, которые будут использовать СО2 для производства полимеров и других органических соединений. Более того, такие предприятия уже есть — моя коллега Шарлот Уильямс из Оксфордского университета недавно основала компанию Econic Technologies, которая занимается коммерческими проектами по утилизации углекислого газа.

— Попытаются ли нефтегазовые компании затормозить или "убить" подобные стартапы и исследования? Можно ли в принципе построить экономику, которая бы полностью обеспечивала себя углеводородами подобным образом?

— В данном случае, как мне кажется, критика в адрес нефтяников является не совсем справедливой. Они хорошо понимают, что мир меняется и их главный ресурс не является бесконечным, что он рано или поздно закончится.

По этой причине британско-датская "Шелл", к примеру, все чаще называет себя не нефтяной, а энергетической корпорацией. Они осознали, что им придется вкладывать деньги в технологии, позволяющие нам производить углеводороды другими путями.

Поэтому мне не кажется, что нефтегазовые гиганты будут мешать развитию новых зеленых технологий или пытаться их запретить. С другой стороны, в этот процесс могут вмешаться экономические факторы. К примеру, новые методики добычи сланцевой нефти и газа дали США достаточно дешевые и большие запасы углеводородов, что могло поменять планы нефтяных корпораций. Поэтому, как мне кажется, нам стоит рассматривать их как потенциальных партнеров.

Китайские химики научились превращать воздух в бензин

Несмотря на то, что эпоха изобилия нефти будет продолжаться еще достаточно долго, мне кажется, что зеленые технологии могут быстро занять свое место в экономике уже в ближайшее время. Ярким примером этого являются солнечные батареи — за последние годы они успели стать важной частью энергорынка многих стран, и их цена заметно упала. России и Британии, конечно, это касается в меньшей степени, так как Солнце посещает нас нечасто.

С другой стороны, пока непонятно, появятся ли технологии, позволяющие производить все необходимые нам запасы углеводородов, пластиков и другой органики, извлекая углекислоту из воздуха. Более дешевым и эффективным ее источником, как мне кажется, могут стать выхлопы электростанций и заводов, захватывать и перерабатывать которые будет гораздо проще, чем пытаться отделить СО2 от других молекул воздуха.

— Илон Маск часто говорит об освоении Марса и о постройке автономной колонии на его поверхности. Существуют ли все необходимые для этого катализаторы сегодня или же ученым потребуется создать целый набор новых ускорителей реакций, которые будут учитывать уникальные черты Марса?

— Если мы действительно будем колонизировать Марс, то да, нам придется создать абсолютно новый набор катализаторов. С другой стороны, мне тяжело говорить об этом, так как мы почти ничего не знаем от тех проблемах, которые будут связаны с колонизацией Красной планеты.

Ученые: искусственный фотосинтез скоро заменит нефть и газ

Вдобавок, учитывая огромную стоимость подобных проектов и гигантское количество усилий, которые придется потратить на их реализацию, мне кажется, что у нас на Земле есть проблемы и поважнее, чем скорейшая колонизация Марса. По крайней мере, на ближайшие несколько десятилетий. С другой стороны, рано или поздно это произойдет, и тогда каталитические исследования станут очень важными для процесса колонизации космоса.