LU Cietvielu fizikas institūta Ūdeņraža un gāzes sensoru laboratorijas vadītājs fizikas doktors Jānis Kleperis un LU Bioloģijas fakultātes studenti Ilze Klepere un Artūrs Gruduls ir cilvēki, kas tepat Latvijā veic progresīvus un brīnumainus pētījumus, izzinādami dažādus «baktēriju baterijas» veidus, kas ražo elektrību un bioūdeņradi, izmantojot videi draudzīgas metodes.

01
Nākotnes tehnoloģiju entuziasti. No kreisās: Jānis Kleperis, Artūrs Gruduls un Ilze Klepere.

Nav noslēpums, ka mūsdienās enerģijas ieguve pārsvarā balstīta uz neatjaunojamā fosilā kurināmā izmantošanu, taču tas būtiski piesārņo vidi un nenodrošina ilgtermiņa attīstību, tāpēc ir nepieciešami jauni risinājumi enerģijas iegūšanai. Viens no šobrīd aktuāliem risinājumiem ir ūdeņradis kā energonesējs, ko var iegūt no atjaunojamiem, tīriem energoresursiem. Taču pagaidām plašu ūdeņraža izmantošanu sadzīvē un enerģētikā kavē inovatīvu tehnoloģiju trūkums tā iegūšanas izmaksu samazināšanā. Vai nav brīnums – trīs ceturtdaļas Saules veido ūdeņradis, bet uz Zemes grūti atrast kaut dažas ūdeņraža molekulas, ja nu vienīgi gāzes balonos. Izrādās, Zemes pievilkšanas spēks nespēj noturēt šo visvieglāko gāzi. Patlaban aptuveni 96% no pasaulē patērētā ūdeņraža tik un tā tiek saražots no fosilajiem resursiem – gāzes un naftas. Šie ieguves veidi ir ar augstu enerģijas patēriņu un bieži nav videi draudzīgi, kas sadārdzina iegūto ūdeņradi un neatbilst tīrās enerģijas koncepcijai. Tāpēc, ja cilvēce nākotnē vēlas veidot ūdeņraža ekonomiku, nepieciešami pētījumi un metodes ūdeņraža iegūšanai no atjaunojamiem enerģijas resursiem, to skaitā – no bioresursiem.

Bioūdeņradis – nākotnes zaļā enerģija

03
Izolēta mikrokultivēšanas kivešu testsistēma bioūdeņraža pētījumiem.

Pasaulē nu jau ir samērā daudz zinātnieku, kas veic pētījumus bioūdeņraža iegūšanā. Viņi ir pārliecināti, ka ūdeņradi var ražot mikroorganismi dažādos dabiskos substrātos. Pirmie pētījumi bioūdeņraža iegūšanā tika veikti jau pēc Otrā pasaules kara, taču nopietni šai tēmai zinātnieki pievērsušies vien pēdējos divdesmit gadus. Izrādās, viens no šādiem pētījumu centriem veidojas arī Latvijā, kur Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūtā tiek izzinātas dažādas jaunas ūdeņraža iegūšanas, uzkrāšanas un izmantošanas metodes.

Ilze Klepere ir pārliecināta, ka bioūdeņradim ir milzīgs potenciāls un ka tas jau pavisam drīz varētu kļūt par nopietnu fosilo enerģijas resursu aizstājēju. Viņa nopietni pievērsusies šai tēmai un, domājot par bioūdeņraža ražošanas attīstību mūsu valstī, savā maģistra darbā grib apzināt, kas ir aktuāls Latvijai, kādus organismus un substrātus var iegūt tepat – no pašmājās pieejamiem dabas un rūpniecības resursiem, kas bez īpašas modificēšanas piemērotos apstākļos izdalītu ūdeņradi.

Saspēle ar baktērijām

Tēlaini izsakoties, tā ir kā pacietīga un gudra šaha spēle ar baktērijām. Galvenais jautājums – kuras baktērijas un substrāti savstarpējā kombinācijā visefektīvāk ražo ūdeņradi. Tas ir plašs pētījumu lauks, kur izpausties var visas pasaules zinātnieki. Šobrīd notiek optimizācijas un efektivitātes palielināšanas eksperimenti.

Dažādas baktērijas ir sastopamas visur – sākot ar augsni, dīķiem un beidzot ar cilvēka zarnu traktu. Ilze Klepere savā pētījumā izmanto enterobaktēriju Escherichia coli jeb E. coli, kas spēj ražot ūdeņradi, anaerobā vidē fermentējot organiskus savienojumus (piemēram, glikozi). Bioūdeņraža iegūšanai tiek izmantotas arī aļģes, to skaitā mikroaļģe cianobaktērija (zilaļģe). Šīs baktērijas sastopamas dabā un ir viegli pavairojamas. Taču, tēlaini sakot, šīs baktērijas tāpat savā nodabā ačeles neblisina un ūdeņradi pa ausīm laukā nepūš, tās ir jātur anaerobā vidē un pareizi jābaro.

Baktērijas tiek ievietotas eksperimentālā testsistēmā – mazā bioreaktorā, kur tām tiek pievadīta barotne, sāļi, dažādi mikroelementi un substrāts. Bioreaktorā notiek konstanta maisīšana un inertas gāzes burbuļošana, lai nodrošinātu bezskābekļa atmosfēru un ūdeņradis varētu vieglāk izdalīties gāzes fāzē. Ar ūdeņraža mikrosensoru un gāzu analizatoru – masspektometru – tiek veikti baktēriju saražotā ūdeņraža mērījumi.

Būtisks ir arī substrāts jeb baktēriju barība. Sākotnēji zinātnieki eksperimentos galvenokārt izmantoja glikozi, jo tā baktērijām ir ļoti viegli patērējama, taču, tā kā glikoze ir dārga, šāda substrāta izmantošana uzskatāma par neefektīvu. Tiek veikti eksperimenti ar citiem substrātiem, piemēram, fruktozi, formiātu, organiskām skābēm utt. LU Bioloģijas fakultātes un Cietvielu fizikas institūta pētījumu ietvaros iecerēta sadarbība ar vietējiem rūpnieciskajiem ražotājiem un sākti eksperimenti, kuros par substrātu izmanto rūpnieciskos atkritumus, piemēram, alus misi un glicerīnu. Šie un citi rūpnieciskie atkritumi ir vielas, ko neviens parasti neizmanto. Bet baktērijām tie kalpo par gardām «pusdienām». Šajā gadījumā īpašas pieminēšanas vērts ir glicerīns, kas paliek pāri no rapšiem biodegvielas ieguves procesā. Latvijā no tā nemaz tik viegli nevar atbrīvoties, toties baktērijas glicerīnu ēd labprāt.

Kā stāsta Ilze Klepere, pagaidām pētījumu iznākumi ir par mazu, lai tos lietotu gatavās sistēmās, bet ir pietiekami daudzsološi, lai pētījumus turpinātu un izmantotu. Viņa izstrādā priekšlikumus tālākiem optimizācijas eksperimentiem. Ideja ir sadarboties ar Latvijas un citu valstu rūpnieciskajiem ražotājiem un šādi pārstrādāt ražošanas atkritumus enerģijā. Tātad vienlaikus tiek iegūti divi labumi: esam atbrīvojušie no atkritumiem un ieguvuši tīru enerģiju! Īsts nākotnes sapnis – zaļā tehnoloģija.

Stereotipiskās bailes

Atzīšos – staigājot ap šiem ūdeņraža aparātiem, manā galvā pazibēja doma, ka tas taču ir bīstami, eksplozīvi utt. Taču izrādās, ka pasaulē jau veikta virkne eksperimentu un pētījumu, kas apgāž šo mītu. Vēl vairāk – izrādās, ka dabasgāze (metāns), ko lietojam ikdienā, ir krietni vien bīstamāka. Savukārt ar ūdeņradi darbināms automobilis, ja ar to pareizi apietas, ir drošāks nekā auto ar benzīna dzinēju.

Taču sabiedrība kļūst aizvien izglītotāka arī šajos jautājumos. Piemēram, Īslandē veiktas aptaujas liecina, ka iedzīvotāji neiebilst un atbalsta ūdeņraža krātuvju izvietošanu, ja tās nav tieši blakus paša mājai.

Elektrība no dūņām un notekūdeņiem

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Baktēriju baterijas darbības princips. Divi trauki, kas savā starpā savienoti ar selektīvu membrānu vai sāls tiltiņu. Vienā traukā ir anaeroba vide ar elektrodu (anodu) un organiskajiem nosēdumiem, otrā – elektrods (katods) un ar skābekli bagātināts tīrs krāna ūdens. Ūdeņraža protoni no anodtelpas caur membrānu ceļo uz katodu. Uz katoda notiek savienošanās reakcija starp ūdeņraža protoniem un skābekli. Reakcijai nepieciešamie elektroni tiek pievadīti katodam pa noslēgtu ārējo elektrisko ķēdi.

Ūdeņradi ražojošas baktērijas nav vienīgais baktēriju enerģijas ieguves veids. Turpat laboratorijā līdzās ūdeņraža ieguves aparātiem uz blakus galda atrodas savstarpēji savienotu trauku rinda, pie kuras rosās Artūrs Gruduls – viņš pēta iespējas, kā no baktērijām uzreiz iegūt elektrību. Izrādās, ka arī tas ir iespējams!

Okeānu, upju un ezeru dzelmē, kā arī purvos baktērijas nemitīgi dara savu labo darbu, noārdot sedimentācijas procesa rezultātā radušās nogulsnes. Šajos procesos ir paslēptas milzīgas enerģijas rezerves. Bezskābekļa apstākļos organiskās vielas tiek noārdītas fermentācijas procesā. Ķīmiskajās reakcijās rodas dažādi blakusprodukti un gāzes, kā arī «brīvie» elektroni. Izmantojot īpaši izveidotas sistēmas – baktēriju degvielas šūnas jeb Microbial Fuel Cells (MFC) –, šos elektronus ir iespējams uzkrāt un izmantot elektroierīču darbināšanai. Atkarībā no izmantoto MFC skaita un elektrisko slēgumu kombinācijām, iespējams darbināt gan nelielas, gan lielākas un energoietilpīgākas ierīces. Ir ļoti daudz iespēju, kā no apkārtējās vides iegūt elektrību.

Lai arī apraksts pie bildes šķiet sarežģīts, darbības princips esot visai vienkāršs, turklāt Artūrs Gruduls strādā pie šīs mikroorganismu elektrostacijas jeb baterijas uzbūves vienkāršošanas. Attēlā redzamo maketu A.Gruduls gatavojis savām rokām, izmantojot viegli pieejamus materiālus, lai pierādītu, ka šādu šūnu mājas apstākļos var paga-tavot jebkurš un dzīvot nedaudz zaļāk. Taujāts par brīnumaino «baktēriju bateriju», puisis vien atbild, ka vienā gadījumā pasmēlis dūņas no piemājas dīķa, otrā no… Daugavas!

No vienas šūnas (savstarpēji savienotiem diviem traukiem) varot iegūt 0,8 V, taču, savienojot vairākas šūnas, pilnībā pietiek enerģijas, lai darbinātu mazās digitālās elektroierīces, bet, ja saslēgtu vairākas mucas un uzkrātu enerģiju, varētu darbināt arī lielās elektroierīces.

Tuvākais mērķis ir uzstādīt šādas baterijas notekūdeņu attīrīšanas iekār- tās, dūņu baseinos. Pirmais pozi- tīvais aspekts tādā gadījumā būtu elektroenerģijas ietaupīšana, jo šādos baseinos vismaz trešdaļa enerģijas tiek novirzīta šo baseinu aerācijai. Ja tajos ievietotu MFC, varētu neveikt aerāciju: ietaupītos enerģija un no MFC iegūtu vēl papildu enerģiju, ar ko darbināt kādus nelielus apgaismes aparātus vai datorsistēmas.

Arī par MFC pasaulē notiekot plaši pētījumi. Ir pat firmas, kas jau piedāvā dažādus modeļus, ko var uzstādīt attīrīšanas iekārtās. Dārgo materiālu dēļ tehnoloģija pagaidām vēl nav izplatīta, taču viss attīstās. Jau tagad zināms, ka zinātnieki plāno izmantot MFC principu, lai nodrošinātu dziļūdens mēraparātus ar nepārtrauktu elektrības padevi.

06

MFC dziļūdens mēraparātu nodrošināšana ar nepārtrauktu elektrības padevi. Daļu elektrodu ierok sedimentos, daļu atstāj brīvi ūdenī. Elektropotenciāla starpību, kas radīsies starp abu elektrodu sistēmām, nākotnē varēs izmantot sarežģītu elektroierīču darbināšanai.

Elektrība no paša asinīm

Lai nākotnes enerģijas ieguves aina būtu pilnīga, varu pastāstīt, ka Vankūveras zinātnieki ir radījuši pirmo MFC, kas spēs ražot elektrību no cilvēka asinīm! Pagaidām vēl notiek vien laboratoriju pētījumi, taču zināms, ka nelielā 1,7 x 1,7 x 0,2 cm šūna sver tikai 0,5 g. Šūnā izmantos speciālus raugus, kas elektrisko strāvu ražos no cilvēka asinīs esošās glikozes. MFC jauda būs tikai 40 nanovati, bet ar to būs pietiekami, lai darbinātu kādu implantētu medicīnisku ierīci, piemēram, sirds stimulatoru, muguras smadzeņu stimulatoru paralīzes ārstēšanai u.c. Tā nu arī cilvēks ar savu anatomisko resursu varēs būt pats sev personīgais hesiņš – dažādu ierīču enerģijas ražotājs.

Jau zinu, ko teiktu mana vecmāmiņa: «Nereāli! Iebāz vadiņu puķu podā un darbini spuldzīti.» Taču – ne tik vienkāršota, bet tā arī ir nākotne. Turklāt saistoša un gudra nākotne. Arī Žila Verna sapņi par ūdeni kā «nākotnes akmeņoglēm» viņa līdzgaitniekiem šķita tikpat fantastiski. Nemaz nerunājot par Džordano Bruno, kuru sadedzināja uz sārta par to, ka viņš pateica, ka Zeme ir apaļa un griežas ap Sauli. Šai pasaulē viss ir iespējams! Vajag tikai jaunas idejas un pacietību pie tām strādāt.

Zaļais sapnis

Un tagad pasapņosim. Es lūdzu Jāni Kleperi domās pārcelties laikā uz priekšu un pastāstīt, kādu viņš redz šo savu un studentu pētījumu, izgudrojumu nākotni: «Domāju, Latvija varētu būt pilnībā neatkarīga gan elektrības ieguvē, gan siltuma ražošanā, gan transportlīdzekļu degvielas ražošanā, iztikt tikai ar saviem atjaunojamajiem energoresursiem. Tur būtu savs artavs gan no notekūdeņu dīķiem, kas ražo elektrību, gan no bioūdeņraža, kas tiek uzkrāts lielos balonos pie katras mājas. Piemēram – skat! – no rīta tava mašīna jau ir uzpildīta ar ūdeņradi, un tu visu dienu vari braukāt. Un saule dod savu enerģiju, vējš dod savu enerģiju, kaut ko vēl pasmeļamies no ūdeņiem un zemes dzīlēm. Visi enerģijas avoti cits citu papildina, un esam pašpietiekami. Esam atvēruši durvis uz nākotnes atklājumu pasauli, un šī pasaule piedāvā ļoti, ļoti daudz iespēju.»

Ilze Liepa

Publicēts 2011.gada janvārī.

Atbildēt

Jūsu e-pasta adrese netiks publicēta. Obligātie lauki ir atzīmēti kā *