Біотехнології в металургії та енергетиці
Біотехнологія, продукти мікробіологічного синтезу і ферментативні процеси перетворення речовин несуть у собі багато нового і часто несподіваного не тільки в сільському господарстві і медицині. Більш ясно викреслюються можливості їх використання навіть у таких галузях, як металургія і енергетика.
«Професії» мікробів-металургів різні. Так, за допомогою бактерій можна вилучати миш'як з олов'яно-мідно-миш'якових концентратів, розділяти мідно-цинкові та деякі інші концентрати, виділяти золото з арсенопіриту і навіть видобувати уран з морської води. У вчених є думки щодо створення автоматизованих рудників та інших підприємств по видобутку, збагаченню і розділу кольорових і рідкісних металів на основі біотехнології без участі людей у технологічному процесі. В деяких країнах зарубіжжя вже успішно використовують мікробіологічні способи витягнення кольорових і рідкісних металів з бідних руд.
Розвиток цивілізації, виробництво синтетичних продуктів харчування вимагають все більше і більше енергії. Тут є серйозна небезпечність, яку треба мати на увазі. Справа в тому, що біля половини енергії, що виробляється енергетичними установками, губиться у вигляді тепла. Великі міста середньої європейської зони за рахунок цього «тепліші» оточуючої їх місцевості на 2-3о С. Це рівнозначно тому, що їх перемістили на Південь на одну широту.
Нафта і горючі гази продовжують відігравати велику роль у сучасному технічному прогресі. З нафти одержують біля 700 різних продуктів. I це не вичерпує усіх її можливостей. Нафта і газ поки що найбільш динамічні джерела енергії. Труднощі полягають не тільки в ускладненні їх видобутку, але і у виснаженні запасів. Це загальносвітова проблема. Ведуться серйозні наукові пошуки для успішного її розв'язання в багатьох країнах світу. 3 цією метою увага вчених привернута до практичного використання мікробіологічних методів і вирішення глобальних проблем енргетики. На першому етапі це означає одержання традиційними методами ферментації висококалорійних палив - етилового спирту, метану, водню з природно відтворюваних ресурсів, що містять целюлозну і крахмальну сировину - деревина, зерно кукурудзи, відходи переробки сільськогосподарської сировини і гною. На другому етапі передбачається перейти на трансформацію сонячної енергії мікробіологічними системами каталізу.
У Бразилії, США для автомобільного палива використовують газохол - суміш бензину і 10-20 % етилового спирту. Його виробляють, в основному, з крохмалю кукурудзяного зерна. З цією метою у США мають намір створити енергетичні плантації. На них за скороченим циклом будуть вирощувати для біохімічної переробки в етанол дерева пород, які швидко ростуть.
Багато наукових установ світу вже працюють над створенням культур мікроорганізмів, методів і апаратів для використання енергії Сонця. За її допомогою передбачається виділяти водень з води і на його основі одержувати електричну енергію у біологічних паливних елементах. Це в повному розумінні слова мікробіологічна, біотехнологічна сонячна енергетика - енергетика безмашинна. Лабораторні моделі біологічних паливних елементів уже діють.
У майбутньому мікробіологічні конвертори, імовірно, стануть важливим ланцюгом замкнутих систем життєзабезпечення для космічних кораблів під час тривалих міжпланетних перельотів. У таких системах асоціації культур мікроводоростей, бактерій і грибів будуть утилізувати вуглекислоту і органічні «відходи життєдіяльності» (можливо і тварин). Вони перетворять їх у білково- вітамінні вуглецеві речовини. Останні і складуть частину харчового раціону екіпажу. Крім того, ці асоціації мікробів разом з рослинами, що будуть культивуватись на борту корабля, зможуть забезпечувати екіпаж киснем для дихання. Корисними стануть і біологічні паливні елементи як додаткове джерело до сонячних батарей електроенергії для живлення різних приладів і агрегатів космічного корабля.
На альтернативні джерела сьогодні покладають надії енергетики, екологи, економісти, державні діячі. В останнє десятиліття ХХ ст. проблема набула ширшого використання таких джерел, стала ключовою ланкою у перегляді енергетичної політики. Нагадаємо, що енергетичний сектор займає четверту частину всіх витрат людства.
В Україні, наприклад, з усіх видів відновлюваних джерел енергії (сонячної, вітрової, геотермальної, біомаси), найперспективнішою є вітрова енергетика. Сьогодні над спектром різних проблем вітроенергетики працюють Інститут електродинаміки НАН України, АТ «Енергопроект», конструкторське бюро «Південне» та інші установи.
У Національному технічному університеті «Харківський політехнічний інститут» під керівництвом професора Б.Т.Бойка ведуться серйозні дослідження в галузі виробництва та експлуатації геліоенергетичного устаткування. Тут налагоджена плідна співпроаця в цьому напрямку з науковцями Німеччини. Межі цієї співпраці розширюються з метою створення сумісних підприємств по виробництву для України сучасних пристроїв з використання сонячної енергії в побуті, промисловості та сільському господарстві для одержання гарячої води і електрики. Тут є намір підготувати для уряду України проект науково-технічної програми з розвитку геліоенергетики країни.
Відзначимо, що в десяти країнах Європи, а також у США та Японії вже більше тридцяти фірм випускають вітроенергетичні установки номінальною потужністью від 10 до 100 кВт, які працюють з постійною і змінною швидкостями обертання вітроколеса. Сьогодні в Україні є досвід створення вітросилової установки потужністю 600 кВт.
Але ще на початку 30-х років у Харкові Юрій Кондратюк (Сергій Шаргей) на замовлення радянського уряду організував невеличкий творчий колектив, який за неймовірно короткий термін у Харкові створив дерзновенний проект вітроелектростанції потужністю 12 тис. кВт. Вона мала бути побудована в Криму на горі Ай-Петрі. Спеціальні автоматичні пристрої повинні були повертати башту в напрямку вітру залежно від його напрямку, підтримуючи частоту електроструму, що виробляється, і його синхронизацію зі струмом промислової мережі, гасити коливання башти від поривів вітру.
Декілька відомостей про шляхи можливого розвитку енергетики, що не пов'язані з біотехнологією. Дослідження електромагнітної індукції, що проведене Фарадеєм ще на початку ХІХ ст., наштовхнуло вчених на думку про використання в електрогенераторах провідної рідини. До тих пір поки потреби промисловості задовольнялись генераторами з твердими металевими провідниками, увага цій ідеї не приділялась з причин недостатнього рівня технічної бази. Пропозиції по створенню пристроїв, що працюють на провідній рідині, так званих магніто-гідродинамічних генераторів (МГД), у патентній літературі з'явились у 1910 р. Корпорацією Вестінгауз вперше в 1941-1946 рр. був створений складний МГД-генератор. Провідною рідиною в ньому став гарячий іонізований газ.
Принцип дії МГД-генератора полягає в тому, що електропровідний газ продувається через канал поперек магнітного поля. Струм, що наведений у газі, виходить на зовнішнє навантаження через електроди, які містяться в стінці каналу. Передумовою невдалого експерименту була невизваченість фізичного уявлення про процеси у гарячому газі, що протікає у магнітному полі. Фізичні дослідження на початку 50-х років обумовили бурхливий розвиток досліджень МГД-методу. На прикладі вестінгаузського експерименту стало зрозуміло, що МГД-генератор є тепловою машиною, яка дає на виході не механічну, а електричну потужність. Цей генератор об'єднує функції турбіни і звичайного роторного електрогенератора. Для створення необхідної провідності потрібна така висока температура газу, при якій іонізується помітна кількість атомів.
Ця ідея була підхоплена і в СРСР. На дослідження проблем з МГД-генераторами витрачено було не менше коштів, ніж на космічну програму. Але результатів не досягнуто. Тому невипадково прогнозування західних спеціалістів у області економічної рентабельності МГД-генераторів поки що дуже обережні. До кінця двадцятого століття вони не стали конкурентами електростанціям. До цього ж періоду на стадії експериментів у лабораторіях залишилось термоелектричне і термоіонне виробництво електроенергії. Передбачалось і те, що водень, як джерело енергії, стане технічною можливістю до 2000 р.
Не виключено, що електроніка великих потужностей відкриє можливості для передачі електричного струму спрямованим у простір пучком без усяких хвильоводів, подібних радіохвилям (у фантастичних романах це можна знайти). Тоді можна буде безперервно живити електричною енергією супутники і космічні станції, не загромаджуючи їх складною апаратурою автономного енергозабезпечення. Лазери, як вже доведено, є першим кроком до реалізації такої наукової думки.
Видобуток урану для потреб енергетики з морської води принципово можливий. Але це є дуже дорогий спосіб. Найбільш реальними і практично здійсненими є нові розробки в галузі енергетики - це створення паливних елементів і паротурбогенераторів потужністю понад два мільйони кіловат.
Геліоенергетика може стати економічно рентабельною вже найближчим часом. Технічна можливість використання температурного градієнта води морів і океанів майже реалізована. Але широке використання цього способу можливе тільки у другій половині двадцять першого століття.
Ні з чим не порівняні можливості у задоволенні людства енергією відкриються тоді, коли вчені оволодіють управлінням термоядерною реакцією. Проблема полягає в тому, що при такій реакції виділяється величезна кількість тепла, а температура в її зоні досягає сотень мільйонів градусів. Зрозуміло, що стінки «термоядерної топки» миттєво можуть перетворитися на пару. Один з шляхів розв'язання цієї проблеми запропонували фізики. Вони висунули принцип магнітної ізоляції, що зменшує тепловіддачу стінкам «топки» і забезпечує здійснення реакції. Потужним імпульсом струму вдалось на мить нагріти речовину до температур, що недостатні для початку термоядерної реакції. Це дало можливість перевірити основні принципи магнітної ізоляції. Питання про здійснення безперервної термоядерної реакції, якою можна управляти, поки що не вирішене. Але у ХХІ ст., як запевняють вчені, це стане реальним.