Šiltą šio kovo dieną, Robą McGinnisį, neseniai atvykusį į pasienio miestelį ir rėžiantį susirinkusiems tūkstančiams investuotojų uždegančią kalbą, būtų nesunku palaikyti slidžiu prekeiva. Buvęs dramaturgas siekia paversti vėjo ir Saulės galią kuru.
Šiltą šio kovo dieną, Robą McGinnisį, neseniai atvykusį į pasienio miestelį ir rėžiantį susirinkusiems tūkstančiams investuotojų uždegančią kalbą, būtų nesunku palaikyti slidžiu prekeiva.
Tačiau McGinnis, chemijos inžinierius ir verslininkas, tikrai nesistengia iškišti homeopatinių vaistų: jo eliksyras yra benzinas. Beveik visi išsivysčiusio pasaulio gyventojai yra beviltiškai į jį įjunkę. Kasmet bendrai jo sunaudojame beveik 3 trilijonus litrų.
Etanolis pirštinėtoje Rob McGinniso rankoje buvo sintezuotas už jo stovinčiame aparate
© LiPo Ching
Idėjų mugėje McGinnis dėvi Silicio slėnio verslininko uniformą – džinsus, juodus marškinėlius ir avi juodus odinius dviratininko batus. Teatro dydžio scenoje jis rėžia kalbą, įspraustą tarp 3 minučių internetinės personalizuotų drabužių parduotuvės ir motorolerių mėnesinės nuomos prezentacijų. „Gaminame benziną iš oro, vandens ir elektros“, – skelbia McGinnis.
„Dabar Kalifornijoje benzinas kainuoja $3,50 už galoną [0,92$/l]. Kitais metais jį pardavinėsime po $3 už galoną [0,79$/l].“ Kiti idėjų mugėje idėja siūlantys startuoliai siekia milijardų vertės rinkų, bet McGinnis taiko aukščiau. „Kalbame apie maždaug $2 trilijonų [per metus] benzino rinką“, – sako jis.
Jei visa tai skamba pernelyg gerai, kad būtų tiesa, taip ir gali būti. „Tikiuosi, jie teisūs“, – sako Olgica Bakajin, Porifera Inc., kompanijos, įsikūrusios San Leandro, Kalifornijoje, irgi kūrusios tokias sistemas, kaip McGinnis, CEO. Bet ji pabrėžia, kad McGinnis „yra geras kalbėtojas, ir geras pardavėjas.“
Jis įtikino kelis galingus investuotojus. 2018 metų gruodį jis gavo $150 000 iš „Y Combinator“ (Mountain View, Kalifornija), idėjų mugės organizatoriaus, teikiančio pradines investicijas, sukurti benzino iš oro įrenginio prototipą. Tai buvo šaldytuvo dydžio įrenginys iš katalizatorių, vamzdelių, elektronikos ir filtrų, surinktas, likus savaitei iki idėjų mugės.
Bet dar prieš demonstraciją mašinoje įvyko nuotėkis, tad idėjų mugėje jis neveikė. Kitaip nei McGinniso optimizmas. Jis žadėjo klausytojams, kad pataisius, aparatas ims anglies dvideginį (CO₂) iš oro, sujungs su vandeniu ir katalizatoriumi pertvarkys chemines jungtis į angliavandenilius. Rezultatas: iškastinis kuras be iškasenų. „Gal tai skamba kaip magija, tačiau iš tiesų tai tėra chemija“, – sakė McGinnis klausytojams.
Prometėjiškas projektas
Benzino sintezavimas, vietoje išskyrimo iš naftos, nėra nauja idėja. Praėjusio amžiaus trečiajame dešimtmetyje Vokietijos chemikai išmoko gazifikuoti anglis – paversti jas anglies monoksido ir vandenilio mišiniu – sintezės dujomis. Tada, jas kaitinant ir slegiant, katalizatorius sintezės dujas galima transformuoti į benziną ir kitus skystus angliavandenilius.
Bet McGinniso įrenginiui nereikia nei karščio, nei spaudimo, nei anglių. Jis naudoja tik orą, vandenį ir elektrą, kurią galima gauti iš Saulės ar vėjo. O šiems atsinaujinantiems ištekliams vis pingant, jis įsitikinęs, kad gali sukurti benziną ekonomiškiau – ir nepalyginamai švariau – nei kompanijos, kurios turi naftą surasti, išgauti, nugabenti ir perdirbti.
Šią svajonę įgyvendinti siekia ne vien McGinnis – tuo dar užsiima keli startuoliai ir akademijų laboratorijos. „Per kelis pastaruosius metus šioje srityje įvyko ryškus progresas“ verčiant CO₂ sudėtingesniais junginiais, sako Peidong Yang, šios srities pionierius iš Kalifornijos universiteto Berkeley'je.
Tačiau daugelis tokių pastangų atsirėmė į brangų, daug energijos reikalaujantį angliavandenilių išskyrimo iš vandens – kuriame jie kuriami – procesą. „Prometheus“ šį procesą patiki patentuotai anglies nanovamzdelių membranai, atsijojančiai angliavandenilius iš vandens. „Jeigu jie sukūrė nedaug energijos reikalaujantį separavimo procesą, didžioji problema išspręsta“, – sako Yangas.
Kuro gamyba iš oro
Naujos kuro gaminimo mašinos širdis – vamzdžiai su mažai energijos naudojančiais anglies vamzdelių filtrais, atskiriančiais kurą nuo vandens. Kuras gaunamas, vykstant elektrocheminiam procesui, sujungiančiam vandenį (H₂O) ir anglies dvideginį (CO₂) iš oro.
„Robo būdas turi neblogus šansus konkuruoti su iškastiniu kuru“, – sako „Prometheus“ konsultuojantis Matthew Eisaman, fizikas iš Niujorko valstijos universiteto Stony Brook. Eisamanas vykdė dabar pristabdytą tyrimų programą „Google“ tyrimų padaliniui, „Google X“, kuris skystu kuru norėjo paversti CO₂ esantį jūros vandenyje.
Bruce Hinds, nanovamzdelių membranų ekspertas iš Vašingtono universiteto Seattle, sako, kad McGinniso publikuoti atskyrimo technologijos rezultatai įkvepia užtikrintumo, kad toks būdas gali veikti. „Esu labai padrąsintas“, – sako Hinds.
Po mokyklos McGinnis įstojo į laivyną, kur pirmojo Įlankos karo metu buvo pasiųstas į Bahreiną. Ten jis valvė mūšio laukus ir uostus nuo minų. „Nenorėjau to daryti“, – kalba jis apie savo tarnybą, bet jam reikėjo pinigų mokyklai. Jis įstojo į Cabrillo College, viešą bendruomenės koledžą netoli Santa Cruz, Kalifornijoje, kur chemijos klasėje išrado efektyvų vandens gėlinimo būdą. Dabar didžioji dalis vandens gėlinimo vykdoma atgalinio osmoso būdu, kai slegiamas vanduo skverbiasi per druskas atskiriančią membraną. McGinnis planavo naudoti tiesioginį osmosą, paremtą koncentracijų skirtumu skirtingose membranos pusėse; taip būtų sunaudojama perpus mažiau energijos. „Pagaminau prototipą savo virtuvėje, – sako jis. – Norėjau kaip nors pasižymėti, kad patekčiau į išties gerą mokyklą.“
Šis jo planas suveikė ir McGinnis persikėlė į Jeilio universitetą. Ten baigė teatro mokslus ir susitelkė į scenarijų rašymą. „Tai buvo išties gera treniruotė, – sako jis. – Didelė verslininko veiklos dalis yra istorijų pasakojimas.“
Bet jis niekada nepamiršo mokslo. McGinnis naršė po chemijos fakultetą, ieškodamas, gal kas galėtų jam leisti vakarais naudotis laboratorijų erdve gėlinimo bandymams. Menachem Elimelech, Jeilio chemijos inžinierius, sutiko. Vėliau McGinnis Elimelecho laboratorijoje atliko savo Ph.D darbus, sukonstravo tiesioginio osmoso demonstraciją, ir siekdamas komercializuoti savo išradimą, Kembridže, Masačiusetse padėjo sukurti startuolį „Oasys Water“. Oasys pastatė penkias dideles vandens gėlinimo įmones Kinijoje ir galiausiai ją ten nupirko klientai.
Tačiau netgi prieš nupirkimą, McGinnis jautėsi nušalinamas nuo sprendimų priėmimo. Oasys jis paliko 2012, siekdamas išbandyti kitas separavimo membranų patobulinimo idėjas, iš pradžių ieškodamas dar geresnio būdo gėlinti vandenį. Jis nutarė pasitelkti membranas iš plonų plastiko lakštų, pervertų daugybe anglies nanovamzdelių — plonyčių tuščiavidurių vamzdelių vien iš anglies atomų. Tyrėjai iš Lawrence Livermore nacionalinės laboratorijos Kalifornijoje ir kitur buvo pademonstravę, kad per šiuos plonyčius vamzdelius prateka vien vanduo, o visos kitos molekulės sulaikomos. Tačiau laboratoriniuose bandymuose buvo naudotos monetos dydžio membranos; didesnės membranos pratekėdavo ir nebuvo tolygios. „Anglies nanovamzdelių membranos sukelto šurmulio nepateisino“, – sako Jeffrey McCutcheon, su McGinnisu bendradarbiaujantis membraninio separavimo ekspertas iš Konektikuto universiteto (UConn), Storrs.
McGinnis manė galintis šią problemą išspręsti. Jis įkūrė MatterShift kompaniją ir gavo vietą laboratorijai startuolių inkubatoriuje „UConn“. Po 5 metų jis jau sugebėjo gaminti tolygias, popieriau lapo dydžio membranas su anglies nanovamzdeliais iš plačiai naudojamo nebrangaus polietersulfono plastiko.
Svarbiausia, kaip sako McGinnis, buvo sugalvoti, kaip surikiuoti daugybę nanovamzdelių — kvadratiniame metre jų yra ~2,5 trilijono, — kad dauguma jų membraną kirstų statmenai, panašiai kaip jonų kanalai ląstelių paviršiuje. Kai kurie tyrėjai spekuliuoja, kad šiam procesui svarbiausia magnetiniai laukai, bet McGinnis nesako nieko. „Tai mūsų slaptasis padažas“, – sako jis.
2018 metų kovą jis, McCutcheon, ir kiti kolegos Science Advances pranešė apie galimą savo membranų naudojimą: organinių teršalų filtravimą iš vandens, naudojant tik dalį slėgio, kokio reikėtų, naudojant atvirkštinio osmoso membranas. Bet McGinnis tai vertina veikiau kaip technologijos demonstravimą, o ne pirminį komercinį tikslą.
Pernai jis su komanda sukūrė būdą pakeisti savo membranas iš plokščių lapų į siauras plastikines gijas su nanovamzdelių pòromis. McGinnis sako, kad tyrėjai šias gijas gali gaminti nuolatiniu būdu, sukarpydami reikiamo ilgio atkarpomis ir daryti iš jų pramoninius filtrus.
„Nauja dėlionės detalė“
Nanovamzdelių filtrai gali nuveikti kai ką daug svarbesnio, nei pašalinti teršalus pažymi McGinnis: jie atskiria etanolį ir vandenį. Tinkamo diametro — maždaug 1 nm – anglies nanovamzdeliais etanolis teka greičiau, nei vanduo. Anglies atomus etanolio molekulėje stipriau traukia anglies nanovamzdelių vidus, tad, jei tirpale yra bent 5 % — 10 % etanolio ir nedidelis vakuumas, alkoholio molekulės tvarkinga rikiuote žygiuoja nanovamzdeliais, praktiškai nepalikdamos vandens. Filtruotame tirpale būna ~95 % etanolio.
McGinnis su komanda šių separavimo rezultatų dar nepublikavo. Bet Yang Decai iš Dalian technologijos universiteto (DUT) Kinijoje vadovaujama tyrėjų komanda 2018 metų rugpjūtį Nano Letters paskelbė apie panašių nanovamzdelių membranų didelį selektyvumą ir greitą etanolio ir butanolio atskyrimą nuo vandens.
Tokias membranas komercializavus, jos pasitarnautų biodegalų kompanijoms, gaminančioms etanolį iš kukurūzų, sako McGinnis ir kiti. Po fermentacijos lieka 10% etanolio tirpalas vandenyje. Dabar gamintojai etanolį atskiria, kaitindami jį 6 metrų aukščio rektifikavimo kolonose, o tam reikia daug energijos – jos kaštai sudaro maždaug trečdalį alkoholio kainos. McGinnis sako, kad jo membranos galėtų distiliacijos kaštus sumažinti 90 %. O JAV etanolio rinka yra $50 milijardų dolerių per metus.
Jei šios membranos veikia taip, kaip teigiama, „tai jau savaime būtų labai svarbu“, – pažymi Peidong Yang.
Šis etanolis buvo pagamintas vien iš oro, vandens ir elektros
© LiPo Ching
McGinnis stengiasi įrodyti, kad taip ir yra. Pernai, „MatterShift“ su partneriais iš „UConn“ gavo $900 000 Energijos departamento dotaciją savo etanolio atskyrimo technologijai pademonstruoti. Jų bandyme naudojamas 2 merų aukščio vamzdis su 1400 nanovamzdeliais pervertų gijų, o rezultatų tikimasi jau šią vasarą.
Jei „MatterShift“ ar DUT membranos pasirodys atsparios ir ilgalaikės, bioetanolio gamintojai turėtų tapti šio gaminio ištroškusia rinka, sako Davidas Shollas, chemijos inžinierius iš Džordžijos technologijos instituto Atlantoje. McGinnis jau įkūrė „MatterShift Biofuels“ kompaniją, kuri šią technologiją komercializuos. Bet savo membranoms jis regi didingesnę ateitį: ne tik etanolio filtravimą iš fermentuotų kukurūzų ar cukraus, bet ir gryninti kurą, gautą iš oro.
Kuro sintezavimas yra lengvoji dalis. Peidong Yango komanda ir grupės iš Oak Ridge Nacionalinės laboratorijos (ORNL) Tenesyje ir Ilinojaus universiteto Urbanoje per pastaruosius 3 metus publikavo straipsnius apie tai, kaip naudojant elektrą ir vario nanodalelių katalizatoriių galima CO₂ ir vandenį paversti alkoholių mišiniu. Panašių tikslų siekia ir startuoliai iš Naujojo Orleano (Luiziana), kompanija „ReactWell“.
Kol kas ORNL komanda pranešė apie didžiausią gautą efektyvumą, 23 % elektros energijos jiems pavyko paversti kuru. Bet visoms alkoholį tokiu būdu siekiančioms gauti grupėms iškyla ta pati problema alkoholio atskyrimas nuo vandens. McGinnis teigia, kad atsakymas yra jo membranos. Jos yra „nauja dėlionės detalė, kurios niekas kitas neturi.“
Kurą iš oro gaminančioje mašinoje, kurią tikėjosi pademonstruoti „Y Combinator“, membranos filtruoja skystį, tekantį iš metro pločio kameros, kurioje į vandenį sumerkti du elektrodai. Kai per kamerą pučiamas oras, jame esantis CO₂ reaguoja su vandeniu, sudarydamas anglies rūgštį — tą pačią medžiagą, kuri rūgština vandenynus. Ši rūgštis savo ruožtu, ant vario dalelių katalizatoriaus, dengiančio neigiamą elektrodą – katodą – skyla į anglies monoksidą CO. Katodas taip pat iš vandens molekulės paima protonus, palikdamas neigiamai įkrautus hidroksido jonus. Šie jonai keliauja prie teigiamai įkrauto elektrodo – anodo, – kur reaguoja, sudarydami vandenį ir deguonį. O prie katodo CO molekulės ir protonai transformuojami į etanolį ir kitus alkoholius.
Taip gaunamas alkoholio ir vandens mišinys, kuris paleidžiamas per nanovamzdelių gijas. „Prometheus“ po idėjų mugės mašiną pataisė ir dabar iš jos „visai neblogai varva“ kuras, sako McGinnis: per raudoną vožtuvą išvarva 10 mililitrų alkoholio per valandą. Per mėnesį McGinnis su kolegomis planuoja padidinti elektrodus ir katalizatorius ir pasiekti 50 – 100 ml/h išeigą.
Vėliau McGinnis planuoja pridėti antrą katalizės žingsnį komerciniais zeolitų katalizatoriais, taip paversdamas alkoholių mišinį didesnėmis, benzine esančiomis angliavandenilių molekulėmis. „Visų proceso dalių veikimas įrodytas. Bet niekas jų nebuvo surinkęs į vieną. Lig šiol“, – sako jis. Jis tikisi, kad įrenginys, jį optimizavus, pagamins 20 litrų degalų per savaitę.
Mašinai veikiant efektyviai, elektra sudarys maždaug trečdalį jo veikimo kaštų. Tačiau atsinaujinančios elektros kainos visame pasaulyje mažėja, ir ten, kus plieskia Saulė ir pučia geri vėjai, kartais pasiekia nulines ar net neigiamas reikšmes. McGinnis sako, kad „Prometheus“ galėtų lengvai padidinti ar sumažinti elektros poreikį ir pasinaudoti žemiausiai jos tarifais, o mašina galėtų būti pastatyta, kur atsinaujinanti energija pigiausia. Kitais metais kompanija planuoja pastatyti $500 000 laivo konteinerio dydžio demonstracinę įrenginį, galintį per metus pagaminti šimtus tūkstančių litrų kuro. O praeitą mėnesį ji pasirašė pirmąjį sandėrį, pagal kurį pradės tiekti anglies dvideginio aspektu neutralų kurą Boom Supersonic, Denverio kompanijai, kuriančiai viršgarsinį komercinį orlaivį.
Net jei viskas vyks pagal planą, McGinnis teks ilgai konkuruoti su tokiais žaidėjais, kaip „ExxonMobil“. Jis turės įrodyti, kad gali pakankamai nebrangiai pagaminti degalų gaminimo mašiną, kurios produkcija būtų konkurentabili. O tai gali būti nelengva, jeigu veikimas apsimoka tik tada, kai nukrenta atsinaujinančios elektros kainos. Be to, šiai mašinai reikia švaraus vandens šaltinio. O prieš pateikiant savo išradimą rinkai, jam reikės įrodyti kad jo degalai gali tiesiogiai pakeisti versijas iš naftos.
Idėjų mugėje McGinnis stovi greta savo prototipo ir kartoja savo pasakojimą nenutrūkstamam potencialių investuotojų srautui. „Norime pakeisti visus iškastinius degalus“, – sako jis. – Taip pasaulis taptų geresne vieta.“ Po kelių valandų jis susikrauna daiktus ir eina tolyn, tikėdamasis, kad vieną dieną jo svajonė taps energijos revoliucija.
Robert F. Service / www.sciencemag.org
