Изот Литинецкий - На пути к бионике

Теперь заглянем в область энергетики. Не сможем ли мы и там воспользоваться помощью микроорганизмов? Иному читателю, живущему в век атомных электростанций, знающему о существовании ядерных или атомных батарей, такая идея может показаться нелепой, надуманной и даже смехотворной. Однако такое представление так же ошибочно, как и мнение о бесполезности изучения живых локаторов на фоне существующей, хорошо развитой современной радиолокации, гидролокации. Возьмем к примеру упомянутые ядерные или атомные батареи. В этих батареях энергия радиоактивного распада непосредственно превращается в электричество. Безусловно, это удобно, но подобная батарея имеет ряд серьезных недостатков. Основной из них - сверхвысокое напряжение: оно достигает сотен тысяч вольт, и потому приходится вводить дополнительные устройства для его понижения. Энергетика же живых микроорганизмов удивительно гармонично сочетает оптимальные режимы, предельную экономичность и надежность. Но это вовсе не означает, что принципы, на которых она построена, применимы лишь в живых организмах. Мы должны их использовать для создания новой энергетики путем перенесения этих принципов в неживую природу, в инженерные энергетические системы. При этом вовсе не надо стремиться точно копировать отдельные элементы живого организма. Для создания новых энергетических систем достаточно воспользоваться лишь принципами, отработанными в процессе эволюции природой. Это чисто бионический путь. Но есть и другой путь - путь непосредственного использования энергии, образуемой в процессе жизнедеятельности микроорганизмов, путь создания биохимических источников питания.

Идея создания биохимических источников питания вообще-то не нова. У нее довольно длинная и трудная история. На протяжении последних ста лет она не раз возникала, затем о ней забывали и неоднократно опять вспоминали. Так, например, в журнале "Природа и люди", № 20 за 1899 года, была опубликована заметка следующего содержания:

"Во многих заграничных журналах помещено описание прибора, предложенного русским инженером Н. Мельниковым и приводимого в движение бактериями. Так как ныне существуют машины паровые, керосиновые и т. п., можно сказать; существуют "машины бактерийные". Н. Мельников берет резервуар и затем крахмалистую жидкость (самые дешевые отбросы крахмального производства или мучную грязную пыль и т. п.), прибавляет к ней азотнокислые и фосфорные соли и желатину (в виде столярного клея) и производит при помощи грибков и специальных бактерий сильное и бурное спиртовое и гнилостное брожение - продукты брожения двигают маленькую машину. При соответственных размерах резервуара и машины достигнуто движение машины в продолжение двадцати часов безостановочно. В настоящее время в лаборатории инженера Н. Мельникова производятся опыты утилизации продуктов жизни бактерий для движения машин. В ближайшем будущем эти опыты указывают, например, на возможность в винокуренных заводах утилизировать процессы брожения для работы насосов, подъема воды, дробления солода и других работ"*

* ( Цит. по журналу "Техника молодежи", 1971, № 6, стр. 61. )

Прошло шестьдесят лет. Бурное развитие микроэлектроники и космической техники заставило ученых ряда стран вновь заняться разработкой новых биохимических источников энергии. Уже строятся дешевые, экономичные, малогабаритные биохимические элементы.

Не так давно в США был сконструирован радиопередатчик, работающий от бактериального источника электрического тока. Дальность действия передатчика 24 километра. Электроэнергию для него вырабатывают бактерии, питающиеся сахаром, растворенным в морской воде. "Живые электрические батареи" можно использовать для экономичных систем космических кораблей: для снабжения водородом и кислородом, питьевой водой, воздухом и т. д. При желании или необходимости "живую электрическую батарейку" можно заряжать... соком кокосового ореха. Оказывается, микроорганизмы, живущие в соке кокосового ореха, могут вырабатывать электрическую энергию. Один орех способен "прокормить" батарейку в течение 50 часов. Такая батарейка вполне подходит для работы в транзисторном приемнике.

Гигантским биоэлементом является Мировой океан. В океанических и морских глубинах, как известно, обитают серобактерии. Для их существования, как и для любого живого организма, нужна энергия. Они получают ее несколько необычным способом, как бы в качестве вознаграждения за то, что они служат переносчиками кислорода от сульфатов морской воды к органическим соединениям - растительным и животным остаткам, опускающимся на дно. Кроме кислорода сульфатов, серобактерии доставляют для окисления органических соединений также кислород воды. Избыток энергии от этого процесса серобактерии и поглощают. Это их честно заработанная доля. В результате отщепления кислорода от иона сульфата в нижних слоях океана образуется "кислый" раствор сероводорода в воде, появляется много положительных ионов водорода (Н), а в верхних слоях образуется много отрицательных ионов гидроксила (ОН) (водород из расщепленных молекул воды уходит в ткани водорослей, образуя там углеводы). Так в океане возникают слои с разной электрической заряженностью. Ясно, что при этом должна появиться разность потенциалов, должен начать циркулировать электрический ток.

Для воспроизведения описанных бактериологических и электрохимических процессов ученые построили модель биохимического элемента, подобного океану. Две пробирки с платиновыми электродами и морской водой разного состава как бы имитировали природные условия в двух слоях океана - верхнем и нижнем. На электролитическом мостике между пробирками размножалась бактериальная культура; серобактерии осуществляли процесс, который они ведут в океане. Эта модель в лабораторных условиях работала непрерывно на протяжении нескольких месяцев. Она наглядно демонстрировала прямое превращение химической энергии в электрическую с помощью серобактерий. Такой биохимический топливный элемент дает напряжение около 0,5 вольт и ток более 1 миллиампера. Для получения больших напряжений и токов можно соединить такие элементы последовательно и параллельно. В настоящее время биохимические элементы дают энергию морским буям, автоматическим гидролокаторам, маякам и другим видам сигнальной и сторожевой аппаратуры.

Американская фирма "Мелпар" занимается разработкой биохимических топливных элементов для военной и космической аппаратуры. Среди исследуемых источников энергии - культура бактерий, питающихся сульфатами, организмы, выделяющие аммиак, метановые организмы. Эта фирма достигла некоторого успеха в извлечении водорода из травы, листьев и других форм растительности, который затем становится источником энергии для работы топливных элементов. Особое внимание военных ведомств привлекают элементы, которые могли бы работать непосредственно от дизельного или других видов топлива, применяемого в военной технике. Ученые полагают, что такие топливные элементы позволят удовлетворить потребность в портативных источниках питания.