Занимательно об энергетике
Шрифт:
У нобелевских лауреатов, всемирно известных физиков Ирен и Фредерика Жолио-Кюри были дочь Элен и (младший) сын Пьер. Элен, окончив, как и отец, с отличием Школу физики и химии, тоже посвятила себя ядерной физике: пошла по стопам родителей. Но Пьер... Он занялся биологией! Его увлекли загадки фотосинтеза, тайны зеленого листа.
Каприз? Бунт? Дух противоречия? Вовсе нет! Оказывается, любимой научной идеей Ф. Жолио-Кюри, ученого-атомника, одного из «крестных» атомной энергетики, была мысль о непосредственном использовании энергии падающего на Землю света.
Как-то в один из приездов в
Вышло: если бы на малой части пустыни Сахары (скажем, территория Египта) при помощи соответствующего оборудования молено было бы использовать хоть 10 процентов солнечной радиации, то этой энергии с лихвой хватило бы для нужд всей планеты. Но еще поразительнее слова Ф. Жолио-Кюри, оставленные им как завещание будущим поколениям ученых: «Хотя я верю в будущее атомной энергии и убежден в важности этого изобретения, однако я считаю, что настоящий переворот в энергетике наступит только тогда, когда мы сможем осуществить массовый синтез молекул, аналогичных хлорофиллу или даже более высокого качества...»
Странные все-таки слова для физика-ядерщика! Человека, который одним из первых создал атомный реактор — сердце атомной электростанции.
Что это, причуда гения? Прихоть беспокойного, вечно мятущегося ума? Научное кокетство? Ни то, ни другое, ни третье. Это, как сейчас выясняется, трезвый взгляд в будущее.
Обыкновенный полупроводник
А началось все с практического вопроса: как помочь промышленности в борьбе против выцветания красителей.
Вещества, которыми красят, например, ткани, поглощают свет. Мельчайшие порции световой энергии — фотоны разбивают молекулы красителя, и он разрушается, выцветает.
Когда в первые послевоенные годы в лаборатории академика А. Теренина в Ленинграде стали изучать эти процессы, неожиданно выяснилось, что красители типичные полупроводники.
Но если на минуту отвлечься от проблем собственно фотосинтеза и взглянуть на дело широко, то все пигменты, которыми наполнены листья растений, также предстанут перед нами как рядовые великой армии красителей!
Среди многообразных соединений органической химии, красители выделяются интенсивным поглощением видимого света. Это и обусловливает их яркие цвета: поэтому их и используют с давних пор для крашения.
(Получение знаменитого в древности пурпура было связано с действием света и представляло, несомненно, фотохимическую реакцию. То же можно сказать и про беление тканей.)
Но, кроме эстетики, тут кроется и физика: красители — мощные приемники солнечной радиации, именно они способны превращать ее в иные формы. А. Теренин, всю жизнь изучавший взаимодействие света и вещества, не мог не увлечься красителями и пигментами. Эта тема на долгие годы становится одной из ведущих на его фотохимических семинарах.
И вот в ходе этой работы флёр таинственности начал спадать с хлорофилла. А что, если хлорофилл тоже всего лишь типичный полупроводник? И действует в зеленом листе по тем же прописям, что и его технические собратья? Но как это доказать?
Дело, начатое А. Терениным, было продолжено уже в Москве, в Институте биохимии Академии наук СССР, его сотрудником,
Надо было создать простейшие модели тех сложных явлений, которые идут в живом листе, что и сделали советские ученые. И внешне эксперимент выглядел весьма эффектно. Если зеленый лист опустить в спирт, то хлорофилл в нем растворяется, а лист, лишившись хлорофилла, становится бесцветным. Зеленый раствор хлорофилла и в пробирке, как это ни удивительно, служил для ученых моделью живого листа.
А теперь главное. (Научные тонкости и подробности мы опускаем.) Поставим пробирку на окно, на солнце — она вскоре начинает краснеть. Минут через десять жидкость становится совсем красной.
Убрали пробирку снова в темноту — и о чудеса! Красный цвет раствора постепенно вновь сменяется зеленым...
В этих превращениях заключен глубокий смысл. А. Теренин и А. Красновский показали: хлорофилл — всего лишь полупроводник. Это тот «насос», который в зеленом листе, повинуясь энергии солнечных лучей, «перекачивает» электроны.
В сказке про глупых жителей одного города говорится, будто они сначала построили дом без окон, а потом долго и упорно таскали в него мешками солнечный свет.
Абсурд, нелепица! Но хлорофилл и другие пигменты как раз и являются такими «световыми мешками», или лучше «антеннами», способными улавливать излучение солнца и преобразовывать его в химическую энергию продуктов фотосинтеза.
Квант света образует в этой молекуле пару: электрон — дырка. В листе по «электронно-транспортной цеги», словно по медной проволочке, течет микроток. И структура молекулы хлорофилла, обладающей очень развитой системой сопряженных связей, прекрасно приспособлена для этого дела. Поэтому-то для возбуждения электронов молекулы хлорофилла достаточно квантов красного света с довольно скромным запасом энергии.
Другая, не менее замечательная особенность хлорофилла — способность легко отдавать окислителям электрон, возбужденный в результате поглощения светового кванта. Благодаря этой особенности хлорофилл и восстанавливает — конечно, не напрямую, а через множество промежуточных этапов — углекислый газ воздуха до углеводов.
Вот эти замечательные свойства (один из центральных процессов, составляющих суть фотосинтеза) и удалось искусственно воспроизвести А. Теренину и А. Красновскому.
То был крупный успех советской науки. Не случайно работа ученых демонстрировалась в 1958 году в Брюсселе на Всемирной выставке.
Вот наконец мы в состоянии оценить слова, сказанные когда-то Ф. Жолио-Кюри. Энергетика и фотосинтез, оказывается, они не столь уж далеки друг от друга.
Ведь если хлорофилл — полупроводник, то появляется надежда создать особые «зеленые фотоэлементы», в которых под действием света будет образовываться и совершать работу электрический ток.
Природе можно бросить вызов
Ф. Жолио-Кюри скончался в 1958 году. А в 1959-м американские исследователи В. Арнольд и Е. Маклей впервые предложили и сконструировали батарею, содержащую пигменты растений — хлорофилл и каротин. Это устройство уже умело преобразовывать свет в электричество. Правда, оно было еще очень и очень несовершенным.