Соссина Хейл и ее коллега Уильям Че (William Chueh) в лаборатории.

Сегодня солнечная энергия используется двумя основными путями. Первый – превращение ее в электричество посредством солнечных батарей. Второй – концентрирование для непосредственного нагрева рабочего тела (воды), а уже разогретая вода либо используется напрямую, для отопления, либо крутит турбину генератора, опять же, создавая электричество. Но есть и третий путь, внимания которому до сих пор уделялось явно недостаточно. Это – превращение энергии излучения в энергию химических связей. Иначе говоря, превращение негорючих веществ в горючие под действием солнечного света.

Нельзя сказать, что соответствующих исследований не проводилось, однако все предложенные схемы отличались не слишком выдающейся эффективностью. Новое удачное решение предложено недавно Соссиной Хейл (Sossina Haile), которая обратила внимание на возможности довольно интересного соединения – диоксида церия, который сегодня широко используется в самоочищающихся печах (катализируя окисление углеводородов) и в качестве абразива для полировки стекла и ювелирных камней.

В отличие от обычно используемых дорогостоящих катализаторов из благородных металлов, церий довольно широко распространен и, как следствие, дешев. На Земле его примерно столько же, сколько и меди. При этом его диоксид способен катализировать превращение молекул углекислого газа и воды в угарный газ и водород. А уже их смесь представляет собой известный синтез-газ, из которого в ходе определенных химических реакций можно получать жидкие углеводороды, смесь которых даст нам искусственные керосин и бензин.

Исследователи под руководством Хейл спроектировали и создали прототип соответствующего реактора. Солнечное излучение собирается концентраторами, и мощный его пучок попадает внутрь реактора сквозь кварцевое окошко (напомним, что обычное стекло не пропускает УФ-лучи, несущие массу полезной энергии). Сердце реактора – цилиндрическая емкость, стенки которой покрыты диоксидом церия, заполненная смесью углекислого газа и водного пара. Под действием солнца диоксид церия раскаляется, и стремится отнять «лишние» атомы кислорода у молекул газовой смеси, превращаясь в оксид церия (III). В смеси остаются моноксид углерода (угарный газ, СО) и молекулярный водород, которые можно использовать для синтеза искусственного топлива. Или, добавив в эту газовую смесь некоторые катализаторы, напрямую получить из нее метан. Процесс окисления цериевых стенок обратим – недаром оксид церия (III) используется как каталитический конвертор в автомобилях. Охлаждаясь, он отдает атом кислорода, возвращаясь к форме диоксида церия.

Эти реакции требуют существенно высоких температур – порядка 1600 ^ОС, а значит – довольно массивных концентраторов, подобно линзе, собирающих энергию солнечных лучей на узкой точке. Такие возможности для апробирования прототипа реактора были найдены в Швейцарии, на установке High-Flux Solar Simulator – и реактор не подкачал. По словам Хейл с коллегами, им удалось добиться максимальной на сегодняшний день выхода синтез-газа под действием солнечных лучей, на порядки большей всех предыдущих результатов. Но на этом авторы не намерены останавливаться. По их расчетам, сейчас в процессе эффективно используется не более 1% энергии, попадающей в реактор. Эта цифра нуждается в улучшении. К тому же, ученые хотят реализовать процесс и для более низких температур.

Кстати, использование синтез-газа в будущем может пережить настоящий бум – как благодаря солнечной энергетике, так и благодаря энергичным бактериям.