Хлеб часто называют источником жизни, а расти ему помогает азот, элемент, который почвенные бактерии получают из атмосферы и химически изменяют, чтобы помочь стимулировать рост растений.
На сегодняшний день азотные удобрения активно производят и используют в сельском хозяйстве, но его избытки часто попадают в реки и прибрежные водные пути.
Исследователи из Стэнфорда ведут многолетние усилия по созданию ускорителя роста устойчивым способом, изобретая технологию химии на солнечных батареях, которая поможет создавать удобрение прямо на ферме и применять его непосредственно к растениям путем капельного орошения.
— Наша команда разрабатывает процесс производства удобрений, который может прокормить мир экологически рациональным способом,- отметил инженер-химик Йенс Норсков, директор Центра SUNCAT по изучению интерфейсов и катализа в партнерстве с исследователями из Stanford Engineering и SLAC National Accelerator Laboratory.
Этот восьмилетний проект SUNCAT поддерживается грантом в размере 7 миллионов долларов от международного научно-экологического благотворительного Фонда Villum.
— Главной особенностью проекта является необходимость определения катализаторов, которые могут способствовать химическим процессам, работающим на солнечном свете, вместо того, чтобы полагаться на ископаемые виды топлива, которые в настоящее время широко используются в качестве источников энергии, и часто в качестве сырья для реакций, — считает профессор Норсков.
Катализаторы — соединения, которые стимулируют реакции, использовались в промышленных масштабах более века.
Сегодняшние удобрения обычно получают из нефтехимических продуктов посредством энергоемкого процесса, который опирается на катализаторы для ускорения реакций, которые происходят при высоких давлениях и температурах. Разработка низкоэнергетического солнечного процесса для производства азотных удобрений может принести пользу миллиардам людей, особенно в развивающихся странах.
Но пока перед исследователями стоит главная задача — создать искусственные катализаторы.
Благодаря химическому сочетанию с углеродом, водородом и кислородом азот помогает формировать аминокислоты, которые сами являются строительными блоками белков, это универсальное семейство молекул, жизненно необходимых для каждого живого существа.
Еще с древних времен в почву добавляли перегной и мочевину, а также высаживали клевер и люцерну, которые хороши для закрепления пригодного к употреблению азота в почве.
Со временем, по мере роста населения и его перемещения в города, возникла индустрия по снабжению фермеров азотными удобрениями.
Но это очень затратный процесс — катализ аммиака составляет приблизительно 1% от общего потребления энергии в мире. Кроме того, от 3% до 5% природного газа в мире используется в качестве исходного сырья для получения водорода для синтеза аммиака.
Удобрения массово производятся на централизованных заводах, доставляются на фермы и управляются с помощью механизированных разбрасывателей. Дождевая и оросительная вода может вымывать их избытки в ручьи, реки и прибрежные воды. Это может стимулировать гипертрофированный рост водных растений, создавая негативную экологическую спираль, в которой растения уничтожить морскую жизнь, создавая «мертвые зоны» в реках, озерах и заливах с соленой водой.
Исследователи SUNCAT стремятся обеспечить преимущества удобрений без каких-либо негативных последствий и энергетических затрат. Идея заключается в замене централизованного процесса Габера на ископаемом топливе распределенной сетью модулей по производству аммиака, работающих на возобновляемых источниках энергии. Эти модули будут использовать солнечную энергию для вытягивания азота из атмосферы, а также для катализа расщепления молекул воды для получения водорода и кислорода. Затем каталитические процессы объединят один атом азота в три атома водорода для получения аммиака с кислородом в качестве отработанного продукта.