АЛЬТЕРВИТАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Энергетический кризис, в котором находится человечество, имеет два корня. Первый – ограниченность существующих ископаемых энергоносителей. Вторая – загрязнение окружающей среды. И если первая из этих причин в масштабах лет носит скорее геополитический характер чем реальная нехватка природных углеводородов (разведанных запасов нефти, даже с учетом бурного роста Азии хватит как минимум на 30-40 лет, природного газа на 80 лет, угля не менее чем на полтора века), вторая грозит возможными катаклизмами (ураганами, изменениями направления океанских течений, таянием льдов, изменением состава атмосферы, глобальным потеплением и изменении климата,) в самом ближайшем будущем. При этом возможность фазовых переходов (то есть таких, при которых малые изменения параметров влекут за собой глобальные последствия) отнюдь не исключена - а каковы критические значения параметров и когда наступят скачкообразные изменения никто не знает.

Причина глобальных катаклизмов, как грядущих так и уже наступающих, лежит в самом характере человеческой цивилизации, которая не вписывается и не пытается вписываться в структуру живого и взаимодействия биоценоза с атмосферой, почвой, реками и мировым океаном на нашей планете. Вплоть до 19 века люди жили в несравненно большем балансе с природой, чем после промышленной революции. Сегодня множество производств и все возрастающее накопление самых разнообразных отходов делают глобальный дисбаланс цивилизации и природы неизбежным. Энергетика 21 века вносит в дестабилизирующие процессы громадный вклад. Так, в Калифорнии выброс парниковых газов в атмосферу автомобилей составляет приблизительно половину от общего выброса. Изобретение паровой машины, а затем двигателя внутреннего сгорания и возможностью превращения энергии пара в электрическую в тысячи раз увеличили количество сжигаемых углеводородов –и одновременно выбрасывания в атмосферу продуктов сжигания. В этом смысле путь от пожара в лесу до локализации огня человеком (на котором можно было жарить еду, обжигать горшки, который отпугивал хищников обогревал помещения) длиннее чем от костра в пещере до двигателя автомобиля: идея то, в сущности та же.

Есть ли у цивилизации какой либо иной путь? В 2004 году была выдвинута концепция Альтервитальной Цивилизация (то латинского Altera Vitae, другая жизнь). Был поставлен общий вопрос: возможна ли цивилизация, которая не нарушала бы баланса биоценоза с неживой природой и была бы полностью, или почти полностью, безотходной? На этот важнейший стратегический вопрос в принципе был дан положительный ответ [1]. Планируемый Workshop посвящен одной из ключевых аспектов в рамках данной концепции – Альтервитальной Энергетике и ее перспективам.

Современная техногенная цивилизация получает, хранит, распределяет и утилизирует энергию абсолютно не так, как эти процессы осуществляются в живой природе. Оценки показывают, что энергопотребление в биоценозе на порядки (как минимум в 100 раз) превышает энергию, утилизируемую человечеством при сжигании природных энергоносителей (нефти, газа и угля). При этом не только отдельные организмы, но и биоценоз в целом находятся в глобальном балансе с природой.

Можно ли построить энергосистемы человечества по аналогии с тем, как это осуществляется в мире живого? А если да, то каким образом это удастся сделать? Этой кардинальной проблеме и связанным с ней технологическим, экономическим и политическим вопрос и будет посвящен workshop – первый из серии планируемых по этой тематике.

Универсальным первичным источником энергии в мире живого является солнце. Поглощение квантов света осуществляется в фотосинтезе, в результате которого синтезируется глюкоза, являющаяся универсальным биологическим топливом.

хлорофилл

6CO₂ + 6H₂O ––––––––––––––® C₆H₁₂O₆ +6O₂

солнечный свет

Существует два вида молекулы хлорофилла отличающиеся лишь одной группой. Для хлорофилла-a это группа X=CO, для хлорофилла-b CHO. Несмотря на то, что различие минимально, эти две молекулы совокупно перекрывают очень широкий спектр, в частности почти весь видимый глазом свет. Не поглощенной остается зона 500-600 пм, соответствующая зеленому свету (именно поэтому листья растений и планктон как правило имеют зеленый свет). Для длительного хранения энергии глюкоза энзиматически преобразуется в свои производные: в растениях в дендример альфа-глюкозы крахмал, у животных в дендример альфа глюкозы - гликоген. Кроме того, стволы и ветки деревьев более чем наполовину по массе состоят из линейной формы бета-глюкозы – целлюлозы. В денрдимерных формах глюкозы при утилизации энергии от молекулы по одной отщепляются замыкающие ветви звенья. Это позволяет делать процесс утилизации энергии in vivo универсальным и контролируемым на молекулярном уровне.

Универсальные формы хранение энергии in vivo: крахмал и гликоген. Молекулы полимера - крахмала накапливаются в клетках растений и образуют запас питательных веществ, в то время, как молекулы мономеров глюкозы не откладываются про запас а либо преобразуются в полимерные (линейную целлюлоза, или дендримерную – крахмал и гликоген) формы, либо быстро расходуются.

Крахмал содержится в больших количествах во всех зерновых злаках - пшенице, рисе, ячмене и т.д., а также в картофеле. В промышленности глюкозу получают гидролизом крахмала. Общая масса крахмала, синтезируемого в течение года in vivo, оценивается в сотни миллиардов тон.

Гликоген - главная форма запасания углеводов у животных. Гликоген - полисахарид, откладывающийся в виде гранул в цитоплазме клеток и расщепляющийся до глюкозы при недостатке ее в организме. Гликоген запасается больше всего в печени (до 6% от массы печени) и в мышцах (порядка 1% массы мышц).

Целлюлоза - клетчатка, главный строительный материал растительного мира, образующий клеточные стенки деревьев и других высших растений. Самая чистая природная форма целлюлозы – волоски семян хлопчатника. В древесине содержится от 40 до 60% целлюлозы. Различие между молекулами целлюлозы и крахмала состоит также и в том, что число n у целлюлозы больше. В состав одной макромолекулы крахмала входит от нескольких сотен до нескольких тысяч звеньев, а в состав молекулы целлюлозы - свыше 10 000 звеньев. Целлюлоза образует волокна, которые придают растению жесткость и прочность. Так, волокно целлюлозы прочнее, чем стальная проволока такого же диаметра. Целлюлоза, крахмал и гликоген имеют одинаковую химическую формулу (C₆H₁₀O₅)_n.

Согласно современным воззрениям, утилизация энергии, запасенной в углеводородах, осуществляется в три этапа, каждый последующий из которых осуществляется только как результат предыдущего.

1.       гликолиз: анаэробное превращение глюкозы в пируват, в результате которого производится ATP.

2.       Аэробный процесс окислительного фофорилирования (также называемый циклом Кребса), сопряженный с конечным продуктом гликолиза пируватом путем его окисления в Acetyl CoA. На этом этапе производятся дополнительные молекулы ATP и кроме того NADH, являющийся универсальным переносчиком электронов в клетке (а также FADH₂)

3. хемиосмосис (chemiosmosis) происходящий в мембранах

митохондрий, контролируется несколькими ферментами при участии

NADH и FADH₂, приводящий к образованию дополнительных молекул

ATP.

В результате этих трех процессов из одной молекулы глюкозы проивзодится до 38 молекул ATP.

Пара аденозинтрифосфат-аденозиндифосфан является “молекулярным шатлом. ATP богата энергией потому, что содержит две фосфоводородные связи. Когда эти связи рвутся, освобождается свободная энергия, которая может использоваться в метаболизме. Энергия гидролиза одного фосфата освобождает 30 KJ/mole, разрыв второго фосфата освобождает еще 30 KJ/mole. Следует иметь в виду, что ATP-ADP именно цикл а не обратимая реакция: стадии в направлении ATP®ADP и в направлении ATP ¬ADP синтезируются разными ферментами.

ATP постоянно потребляется организмом. За сутки в организме человека потребляется примерно 40 кг ATP, в то время как общая масса ATP в организме человека порядка 50 грамм. ATP никогда не хранится долго: за сутки она может совершить сотни и даже тысячи циклов. При усиленной работе расход ATP составляет до пятисот грамм в минуту. Суммарная масса произведенного в организме ATP за сутки может в несколько раз превысить массу животного, хотя в каждый момент времени в организме имеется в сотни или даже тысячи раз меньше этой величины.

Основная функция цикла NAD⁺ • NADH (сокращение от Nicotinamide Adenine Dinucleotide) – перенос электрона. При прохождении реакции вправо катализируется окисление (потеря электрона), при прохождении реакции справа – налево, так и восстановление (приобретение электрона) – при прохождении реакции слева направо. При этом, однако, NAD⁺ и NADH вступают в реакцию с разными молекулами, то есть это не обратимая реакция, которая может прийти к равновесию, а именно цикл, катализируемый и контролируемый энзиматически вдали от состояния равновесия.

По типу функционирования пара NAD⁺ • NADH, так же как и пара ATP • ADP, является двухтактным молекулярным двигателем, который после каждого цикла возвращается в исходное состояние. Фундаментальное отличие двигателей in vivo от двигателей внутреннего сгорания или турбин состоит в том, что а) они работают при температуре среды б) с контролем за функционированием каждой молекулы, в) безотходно, и г) намного более эффективно и экономно.

В процессе жизнедеятельности всех без исключения организмов, утилизация запасенной в химических связях энергии происходит с контролем за метаболизмом КАЖДОЙ МОЛЕКУЛЫ. И процессы эти происходят при температуре, близкой к температуре окружающей среды. Высокотемпературная утилизация (горение) in vivo, в отличие от человеческой цивилизации не используется никогда. Кроме высокой температуры, горение характеризуется бесконтрольным превращением триллионов молекул в другие – главной утилизируемой в технологиях функциях при этом является суммарное выделяемое тепло. В противоположность этому, в живой природе контроль при утилизацией энергии осуществляется за метаболизмом КАЖДОЙ МОЛЕКУЛЫ.

Мышцы являются универсальным механизм, используемом многоклеточными организмами в живой природе для получения механической энергии. Мышцы состоят из актиновых (тонких) и миозиновых (толстых) нитей, состоящих из мономеров, сгруппированных в кластеры. Цикл функционирования мышцы в общих чертах выглядит так:

1)      головка миозинового мономера присоединена к мономеру актиновой нити прочной связью. При этом мономер актина, соседний с тем, к которому прикреплена головка мономера миозина, свободен.

2)      Молекула ATP присоединяется к образовавшемуся комплексу мономеров актина и миозина и индуцирует конформационный переход к головке миозина, после чего эта головка отсоединяется от нити актина. При этом ATP превращается в ADP и фосфатную группу Pi.

3)      В головке миозина происходит конформационный переход, в результате которого фосфатная группа Pi отделяется от головки, а сама головка – от мономера актина.

4)      Головка миозина (вместе с присоединенной к ней ADP) поворачивается и присоединяется к следующему мономеру актина. При этом процессе актиновые и миозиновые нити перемещаются друг относительно друга на один шаг, а аденозинтрифосфат освобождается.

После чего цикл повторяется. В результате множественных повторений цикла в каждом из кластеров, в которые сгруппированы мономеры актина и миозина, происходит сокращение мышцы.

В то время, как поколения технологий в ключевых областях промышленности в начале 21 века сменяются каждые несколько лет, живая природа исключительно консервативна. Одни и те же биологические механизмы, раз созданные, функционируют практически без изменений во всех организмах (количество видов которых на земле исчисляется миллионами) в течение миллиардов лет. Фотосинтез, гликолиз, цикл Кребса, хемиосмосиз и работа мышцы являются неизменными универсальными механизмами.

В техногенной цивилизации современности утилизация первичных

источников энергии (нефти, газа, угля) происходит:

А) с выбросом вредных газов в атмосферу

Б) при высоких температурах и

В) с контролем только глобальных параметров (таких как давление в камере, температура горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания, масса смеси и им подобные.

Напротив: в живой природе утилизация энергии происходит

А) экологически чисто

Б) при нормальной температуре и

В) с контролем за утилизации каждой молекулы.

Технологии утилизации угля, нефти, газа отличаются друг от друга, а также зависят от применений. Например, технологии работы теплоэлектростанций и газовых кательных разительно отличается. Напротив: основные этапы утилизации энергии in vivo (превращение мономеров глюкозы в дендримеры крахмала (растения) и гликогена (животные), гликолиз, цикл кребса и хемиосмозис являются универсальными механизмами.

В то время, как в цивилизации используются различные виды топлива (в частности органического происхождения, такие как дрова, нефть, торф), так и неорганические (природный газ), в живой природе имеется одно универсальное топливо: глюкоза.

Хранение энергоносителей в современной цивилизации (нефте- и газохранилища) подвержены опасности воспламенения. Напротив: формы длительного хранения энергии– гликоген и крахмал – in vivo не являются не только самовоспламеняющимися, но и трудно поджигаемыми, будучи смешанными с другими химическими органеллами и веществами. Соответственно этому горят только мертвые растения (выжженная солнцем трава, погибшее дерево). Но, например, луг от костра загореться не может. Требуется значительная энергия, чтобы вызвать лесной пожар, в то время как для того, чтобы поджечь нефтехранилище или бензобак достаточно одной спички.

Общая идея – создать систему получения, хранения и утилизации энергии аналогичную той, которая существует в живой природе, с использованием уже существующих и эффективно работающих in vivo механизмов/:

1) получение глюкозы с помощью фотосинтеза не представляет проблем, так как на земном шаре в растениях и в фотопланктоне производятся десятки тысяч тонн глюкозы в секунду.

2) перевод глюкозы в формы, способные сохраняться длительное время и удобные к перевозке или перемещению по глюкопроводам. Такими формами могут быть гликоген, крахмал и другие производные глюкозы. При этом целесообразно использовать ферментативные процессы, существующие в природе.

3) утилизация глюкозы, ее разложение до ATP и NADH. Эти процессы, происходящие в митохондриях, а также в цикле Кребса и хемиосмосисе необходимо выделить в отдельный процесс.

5)      стыковка полученной в результате разложения глюкозы энергии (прежде

6)      всего в форме ATP и NADH, а также в виде других производных глюкозы, с

технологиями. Прежде всего такими технологиями должны быть превращение химической энергии глюкозы и продуктов ее разложения в механическую и электрическую энергии. В природе такие процессы известны. Мышца преобразует энергию, запасенную в гликогене, в механическую энергию. Электрический скат преобразует энергию глюкозы – универсального топлива in vivo – в электроэнергию. Возможны и другие формы стыковки, аналогичные тем, которые используются в живой природе. Например, превращение энергии глюкозы в цветовые картины и гаммы осуществляется в организме хамелеона. Восприятие зрительных сигналов происходит в глазу. И так далее.

Особый интерес представляет стыковка гликолитической энергетики с нанотехнологиями. В случае, если такая стыковка будет осуществлена, и снабжение энергией, и механизмы ее утилизации будут иметь одинаковые масштабы – нанометры. Что само по себе имеет колоссальные перспективы.

Каковы перспективы указанной программы? Прежде всего заметим, что стадии 1 и 2 не являются проблематичными. Массовое производство гликогена и крахмала, а также их транспортировка в жидком виде и твердом виде (порошок, спрессованные параллелепипеды) может быть при наличии спроса и финансирования налажена за несколько лет. Стадия 3, разумеется значительно более трудная. Проблема однако стоит следующим образом: может ли человечество решить проблему превращения энергии глюкозы в механическую энергию (без горения, при температуре, близкой к температуре среды) в течение несколько десятков лет? Может ли оно сделать это при наличии финансирования, соизмеримого с затратами на создания атомного оружия или термояда? Ведь в отличие от термоядерных установок, мышца работает. «Установки,», превращающие энергию химических связей, запасенную в гликогене, в механическую энергию при комнатной температуре, также известны: это, например, лошадь (которая в день съедает несколько килограммов глюкозы или ее производных), а также человеческая рука. Трудности при реализации программы Альтервитальной Энергетики очевидны. Но непреодолимы ли они? В настоящее время выращиваются отдельные человеческие органы и генетически модифицированные растения. Насколько сложнее технология, связанная с альтервитальной механикой, чем выращивание в пробирке эмбриона? Оценки давать трудно но ясно одно: эта проблема в принципе решаема. Зато после того, как она будет решена, проблема энергоносителей, а также зависимость от нефтедобывающих стран исчезнет. Проблема глобального потепления также будет во многом снята или резко уменьшится, так как гликолитический цикл полностью вписывается в существующий баланс живой и неживой природы. Никаких выбросов вредных неутилизируемых газов при этом в атмосферу при этом не будет – как нет их в результате жизнедеятельности лошади, человека или червя.

Альтервитальная Энергетика имеет значительно преимущество перед всеми развиваемыми в настоящее время альтернативными видами энергии.

По сравнению с водородной энергетикой, для которой требуется первичное топливо (электроэнергия), механизм получения. По сравнению с термоядерными установками:

1) на термоядерные установки затрачены колоссальные деньги и более сорока лет работы – и тем не менее они не только не построены (в отличие от атомных электростанций, которые были созданы за считанные годы после начала работ), но нет уверенности что они будут построены когда либо.

2) термоядерные установки не решают проблемы топлива, в частности, для автомобилей. Они не являются заменой нефти. Напротив: альтервитальное топливо полностью решает проблему не только снимая проблему нефти, но и снимая парниковый эффект и прочие загрязнения среды.

По сравнению со сжиганием биотоплива: теплотворная способность приблизительно та же. Но сжигание любого топлива создает парниковый эффект, в то время как при альтервитальном процессе работы двигателя (аналогичного работе мышцы) горения вообще не происходит, а выделяется углекислый газ в количестве, не превышающем то, которое было поглощено в процессе биосинтеза.

Утилизация энергии химических связей в живой природе исключительно эффективно. Энергии, утилизируемые in vivo при потреблении 1 кг пищи, и энергия утилизируемая при сжигании 1 кг нефти одного порядка величины.

Жизненно важными для человеческой цивилизации являются превращение химической энергии, запасенной в глюкозе и ее производных, в а) механическую и б) электрическую энергии. Однако имеется множество других потенциальных приложений, каждое из которых может стать особой отраслью альтервитальной промышленности, то есть такой, которая полностью основана на органике для того, чтобы свести неутилизируемые в биоценозе отходы к нулю. Приведем два примера возможных применений такого рода.

1.       Человеческий глаз состоит из миллионов клеток, которые синтезируют изображение. Если бы удалось создать искусственный глаз, такая установка не только заменила бы видеокамеры, но и могла бы в перспективе, например, непосредственно передавать сигналы в мозг человека.

2.       Хамелеон может менять цвета, мимикрируясь под цвета окружающего ландшафта. Очевидно, при этом информация о цветовой гамме окружающей хамелеона среды передается в клетки, которые – подобно экрану телевизора - могут менять цвет. Таким образом, в принципе может быть создан альтервитальный дисплей, работающий аналогично “дисплею” в теле хамелеона и многих других организмах.

Приведенные выше примеры показывают, что альтервитальная энергетика имеет колоссальные перспективы. Более того: для того, чтобы человечество выжило в течение сотен, тысяч и миллионов лет, ей попросту нет альтернативы.

Однако проблемы альтервитальной энергетики распадаются на первоочередные и перефирические с точки зрения ее применения. Есть вещи, которые бессмысленно сделать наполовину: например, не имеет смысла наполовину создать автомобиль. Ключевыми для альтервитальной энергетики представляются следующие стадии:

1)      производство глюкозы и ее производных в количествах, соизмеримых с потреблением нефти, то есть в миллиардах тонн. Такая система первого поколения не является проблематичной и может быть создана в течение нескольких лет.

2)      Создание альтервитальной мышцы. Не будем брать на себя риск оценить время, требуемое для создания таких установок. Однако совершенно очевидно что это в принципе решаемая задача, так как, в отличие от, например, термоядерных станций, мышцы работают в миллионах организмов. Если для решения этой задачи будут выделены средства, соизмеримые с производством термоядерной энергии, то такая задача может быть решена – по разумной оценке – в 10-20-30 лет. Однако в случае ее решения человечество будет обеспечено энергией на тысячи лет. Проблема загрязнения окружающей среды при утилизации энергоносителей и потенциального исчерпания нефти также будут решены.

3)      Создание альтервитального био-электрического генератора, превращающего энергию биотоплива в электричество без горения. Рискнем высказать предположение, что по сравнению с созданием искусственной мышцы создание альтервитальных двигателей первого поколения сравнительно более легкая и быстрее решаемая задача.

ВЫВОДЫ.

Альтервитальная энергетика должна стать реальностью. Вложение средств и усилий всего человечества в создание альтервитальной энергетики не менее, а скорее всего значительно более оправданы, чем вложения в водородную энергетику и термояд, так как альтервитальная энергетика безусловно может быть создана. После ее создания – и последующего улучшения – человечество может использовать альтервитальную энергетику на протяжении тысяч и миллионов лет. Вот почему альтервитальная энергетика не просто необходима – ей просто нет разумной альтернативы.

*Dr. Yury Magarshak,

Director of Mathtec, Inc. (USA),

Execute Vice-president of ICIC (USA).

Комментарий редакции сайта.

Предложения авторов статьи вызывают наибольший интерес с точки зрения производства глюкозы как сырья для пищевого синтеза, что, по утверждению авторов, является наиболее простым из этапов предлагаемой им программы.

Если рассматривать проект именно с этой точки зрения – как средство производства вещества – то тогда нет необходимости в противопоставлении «альтервитальной энергетики» и термоядерного синтеза – и то, и другое есть способ получения необходимого нам вещества, только на разных этапов. Кстати, энергию, необходимую на синтез глюкозы в количествах, указанных автором, есть смысл извлекать именно путем термоядерной реакции. Заодно отпадает необходимость и в более сложных этапах процесса.