Биоэнергетика
занимательные факты по физике (8 класс) на тему

Сегодня в мире продолжают развиваться явления  исчерпывания традиционного  источника энергии, растет стоимость их добычи, интенсивно загрязняется окружающая среда, разрушается биосфера, образовывается  большое количество отходов промышленного, сельскохозяйственного и бытового происхождения. Ликвидация всех этих проблем должна осуществляться ускоренными темпами.

Биоэнергетика — это выбор, имеющий глобальную перспективу для  успешного развития цивилизации. Важными направлениями также должно стать производство биогаза и водорода из органических отходов. Но мы не должны забывать о том , что с каждым годом  растений становиться меньше и нужно восполнять потери при их использовании.

Первая особенность биоэнергетики состоит в том, что все живые объекты являются термодинамически открытыми системами, которые успешно функционируют  при условии постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой. Термодинамика таких систем существенным образом отличается от классической. Они становятся принципиально способными к самоорганизации и самоусовершенствованию.

Вторая очень  важная особенность биоэнергетики  такая как , обменные процессы в клетках происходят  при отсутствии  колебаний температуры, давления и объема.  В энергии химической связи в полезную биологическую работу в отдельной клетке или в организме в целом происходит без преобразования химической энергии в тепловую.

Необходимо сказать , что в процессах преобразования энергии в живых объектах  присутствуют электрохимические стадии. Совокупность электрохимических процессов, происходящих в клетках всех живых организмов биосферы, превышает мировые масштабы технического использования электрохимической энергии.


Растительная клетка - реальный в будущем источник энергии в технике. Но еще вероятней ее применение в информационных технологиях. В компьютерах информация передается с помощью световых потоков. Нужна компактная система восприятия этой информации. Диаметр белка, преобразующего световую энергию -10 нм . Если вы наносите на полупроводник слой белковых фотореакционных центров  то, имея детектор размером 10нм, вы с таким же разрешением можете выводить поступающую на детектор информацию.

       Растения  непрерывно переводят солнечную энергию в органическое вещество, которое можно использовано как источник энергии,  образовывающийся при его окислении. Большое преимущество растений в качестве источника энергии состоит в том, что они возобновляются с течением времени или продолжают расти после частичного сбора урожая.  В последнее время повысился интерес к дереву как к топливу, особенно в некоторых штатах США, где дерева много. Дрова можно использовать для отопления домов,  но сжигая их в современных экономичных   некоторые бытовые приборы переводят с электричества на дровяные щепки.  Форма биомассы для использования в качестве биотоплива может быть довольно разнообразной.
Биотопливо — топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки биологических отходов. Различается жидкое биотопливо для двигателей внутреннего сгорания, твёрдое биотопливо дрова, брикеты и газообразное биогаз, водород. Биомассу в энергетических целях можно использовать в процессе непосредственного сжигания древесины, соломы, сапропеля , также в переработанном виде как жидкие :эфиры рапсового масла, спирты или газообразные  топлива -например , биогаз — газовая смесь, основным компонентом которой является метан..  Конверсия биомассы  как носителя энергии может происходить физическими, химическими и биологическими методами, последние являются наиболее перспективными.

Мировой опыт  говорит о том , что жидкое биотопливо становится перспективной и популярной категорией энергетических ресурсов, которая для мировой энергетики занимает   место после твердого топлива из биомассы. На сегодняшний день в странах ЕС часть  жидкого биотоплива не превышает 0,5% общего использования моторных масел и бензина. Это объясняется высокую стоимость производства, что делает жидкое биотопливо неконкурентоспособным  .Несмотря на  это , производство жидкого топлива из биомассы в странах ЕС  растет. Это происходит благодаря экологически продуманной экономической политике на государственном уровне. Основные пути развития производства жидкого биотоплива, предназначенного для транспортных средств с дизельными двигателями и двигателями внутреннего сгорания. В зависимости от вида сырья и масштабов производства, затраты на изготовление этого вида биотоплив меняются .
 Таким образом можно сделать вывод о том , что в будущем биоэнергия сможет обеспечить часть наших потребностей в тепловой энергии.  Суммарный баланс стоимости указывает на то, что горючее, полученное из возобновляемых биологических источников, может быть дешевле в валовом экономическом расчете .Обращаясь к дереву как к виду  топлива,  следует позаботиться о том, чтобы не уничтожить его источник в результате использования.  Надо  помнить о том ,что европейский континент был покрыт лесами,  от которых сейчас почти не чего не осталось . Если не принять соответствующих продуманных мер, то это может повториться  в другом месте. Такая тенденция уже наблюдается в некоторых слабо развитых странах, где уничтожение деревьев опережает их рост. Если не произойдет увеличения лесных посадок, усовершенствования методов ведения лесного хозяйства и некоторой стабилизации численности населения, то в странах «третьего мира» возникнет недостаток дров, последствия которого преодолеть будет гораздо труднее, чем последствия недостатка нефти в западном мире.

Еще одним возможным путем дополнения и частичной замены традиционных видов топлива является получение и использование биогаза. Важный аргумент в пользу этого источника энергии необходимость решения на современном уровне экологических проблем, связанных с утилизацией отходов. Одна из  тенденций при экологически безопасной переработке органических отходов — развитие комплексных технологий утилизации био-продукта  за счет метанового сбраживания образовуется биогаз. Сырье для производства биогаза  это -разнообразные  отходы агропромышленного комплекса .Преобразование органических отходов в биогаз происходит после   целого комплекса   биохимических превращений. Этот процесс получил название ферментации биомассы. Он происходит благодаря бактериям и осуществляется в технологических установках — ферментаторах. Необходимость создания и поддерживания оптимальных условий для роста и существования культуры бактерий в ферментаторе определяет себестоимость получения биогаза. Оценивая с этой точки зрения экономическую эффективность переработки биомассы, сторонники этого подхода не учитывают, что биогазовые установки являются также оборудованием для переработки навоза и прочих органических отходов. Поэтому экономические затраты на их создание и эксплуатацию нужно рассматривать комплексно. При подсчете себестоимости биогаза нужно учитывать стоимость мероприятий по утилизации отходов и защиты окружающей среды. В таком случае построение и эксплуатация биогазовых установок всегда будет иметь положительный экономический эффект. Недавно появилась возможность  переработки органических соединений растительного происхождения для получения водорода, что, с точки зрения экологии, является идеальным топливом, имеющим высокую теплообразовательную способность  и сгорающим без образования каких-либо вредных примесей. Существуют  бактерии, способные выделять водород под действием света. Некоторые ферменты параллельно с водородом образовывают и кислород, то есть происходит фотолиз воды. Примером может служить система, включающая хлоропласты или хлорофилл и фермент гидрогенеза. Хотя это направление пока не дало практических результатов, оно довольно перспективно для дальнейшего развития биоэнергетики.

     Еще один способ  использования растений в качестве источника энергии — это превращение растительных продуктов в спирт. Практически любой растительный материал химическим путем можно разложить до простых сахаров , а из него можно получить этиловый спирт. Существует очень простой факт, хорошо известный биологам. Он заключается в следующем. Для создания, а точнее, для биологического синтеза своих компонентов клетка должна получить из окружающей среды не только строительный материал, но и энергию. Когда клетка питается, например, глюкозой, она окисляет ее До углекислого газа и воды. В результате распада глюкозы выделяется энергия, которую клетка использует для всех своих нужд, в частности, для построения самых различных молекул. Этим способом,  можно превращать в спирт излишки зерна,  стебли кукурузы, древесные отходы, водоросли. Полученный спирт можно смешать с бензином в соотношении 1 :9 или даже 1 :4; этой смесью можно заправлять обычные двигатели внутреннего сгорания, произведя в них небольшие изменения. Используя растительный материал, который в противном случае пошел бы на выброс, можно существенным образом компенсировать  нехватку нефти. Вряд ли,  удастся добиться больших выгод, выращивая растительные культуры специально для производства спирта, так как для того , чтобы вырастить культуру, приходится затратить на машины и на удобрения столько же энергии, сколько удастся получить из нее.

      Так же ,стоит обратить на системы энергоустановок, способные с помощью микроорганизмов преобразовывать энергию химических связей органических молекул в электрическую. Эти процессы позволят миновать тепловую стадию, трансформировав свободную энергию сразу в электрическую. В результате энергия   химических соединений  использована эффективно,  при этом окружающая среда не будет загрязняться лишним теплом. Такие технологии теоретически позволяют  снизить уровень потребления органического топлива, не уменьшая при этом уровень энергопотребления. Современные экспериментальные разработки биотопливных элементов могут продемонстрировали высокую частоту тока на электроде до 50 м/см2 и мощность более 1кВт . Для создания биоэнергетической установки надо решить ряд взаимосвязанных технологических задач.

        Следующий аспект биоэнергетики неразрывно связан с использованием возобновляемых источников энергии . Все живое население биосферы на протяжении   эволюционного развития приспособилось к существованию за счет возобновляемых энергетических ресурсов. Такая стратегия использования  энергии в условиях Земли является  возможным направлением развития и стабильного существования, возможность широкого использования ВИЭ в хозяйстве в течение  последнего времени  рассматривается   внимательно. Этот  подход имеет преимущества и в  теме охраны окружающей среды. Доля ВИЭ в топливно-энергетическом балансе отдельных стран до этого времени очень дифференцирована, и с целью ее увеличения в Европейском Союзе принята Белая книга «Энергия будущего в возобновляемых источниках энергии». Возобновляемые источники энергии в будущем должны составлять большую часть и в энергетическом балансе .

 Недавно  у ченые из Стэнфордского университета смогли получить электрический ток… из клеток водорослей. Это открытие  стало очень важным на пути создания экологически чистого биоэлектричества. Ток, который получили ученые, выработался во время фотосинтеза водорослей, который, как известно, является процессом преобразования солнечной энергии в химическую.  Ученые разработали специальные ультраострые и тонкие наноэлектроды из золота. Данные электроды были помешены в клетку путем введения через мембрану .Далее ученые  стали фиксировать происходящие с электродом изменения и обнаружили, что в ходе фотосинтеза электроды начали фиксировать небольшой электрический ток.Фотосинтез, который стал источником энергии, представляет собой процесс преобразования солнечной энергии в химическую, т.е. в сахар, который флора использует в качестве пищи. Процесс фотосинтеза происходит в хлоропластах растений. Хлоропласты способны разделят воду на кислород, протоны и электроны. Проникаемый в хлоропласты солнечный свет переводит электроны воды на более высокий уровень, а также «захватывает» белки (протеины). Электроны в свою очередь двигаются по протеинам, захватывающим все большее количество энергии для процесса синтеза сахаров. Именно в момент этой повышенной активности хлоропластов ученые и смогли перехватить электроны. Электрический ток, полученный таким образом  очень хорош, дело в том, что способ получения тока из клеток растений не имеет побочного процесса – выделения углекислого газа в атмосферу. При фотосинтезе единственными побочными продуктами являются кислород и протоны. Сейчас ученые не научились получать ток сразу из большого количества клеток, а одна клетка дает всего 1 пикоампер. Это крайне маленькая величина, а потому говорить об экономической выгоде подобного биоэлектричества пока рано. К тому же, данные клетки имеют небольшое время жизни, а потому ученые также заняты поиском более «живучих» клеток.