Цивилизация
— Как химия может изменить мир в том будущем, в котором мы видим довольно много проблем — изменение климата, дефицит ресурсов, рост загрязнения?
— Как говорил Нильс Бор, «очень трудно сделать точный прогноз, особенно о будущем». Сейчас мы можем предсказывать только некоторые паттерны развития науки, но те открытия и инновации, которые еще не совершены, предугадать совершенно невозможно. Можно лишь сказать, что именно будет важным для общества в будущем, да и то с очень большой натяжкой. Я абсолютно уверен, что важными будут разработки в областях, связанных с альтернативной энергетикой, получением чистой воды, повышением урожайности сельского хозяйства. Во всех этих областях роль химии невозможно переоценить.
Возьмем, к примеру, производство альтернативной энергии. Для производства этой энергии нам необходимы абсолютно новые специальные материалы, которые могут быть созданы только химиками.
Например, пленки для солнечных батарей являются продукцией химических производств. В сфере возобновляемой энергетики сегодня крайне важны батареи, аккумулирующие полученную энергию. Материалы и вещества для таких батарей также разрабатываются химиками. Другое направление развития — это энергоэффективность, а для сбережения энергии необходимы материалы с новыми свойствами.
Эти примеры являются образцами концепции «зеленой химии», внедрение которой в промышленные процессы привлекает сейчас все больше внимания. Обычно под «зеленой химией» понимаются три основных направления: создание «зеленой» продукции, организация «зеленых» технологических процессов, утилизация и предотвращение образования отходов и загрязнения окружающей среды. Несмотря на то что концепция «зеленой химии» является сравнительно молодой (12 принципов «зеленой химии» были сформулированы в 1998 году Полом Анастасом и Джоном Уорнером), сегодня во многих странах мира она активно внедряется в промышленность — любое развитие химической промышленности идет согласно принципам «зеленой химии»: мы экономим энергию, материалы, предотвращаем отходы.
В России, насколько я знаю, «зеленая химия» сейчас в основном развивается в университетской среде — в РХТУ им. Д.И. Менделеева и в МГУ им. М.В.Ломоносова.
Российская промышленность может столкнуться с необходимостью применения этой концепции на практике при обеспечении конкурентоспособности продукции в рамках Всемирной торговой организации (ВТО) и в Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР).
— Интересное направление. Несомненно, рано или поздно, руководствуясь необходимостью экономии энергии и сырья, будут внедрены малоотходные и замкнутые технологии. Но уже сегодня существует невероятное количество отходов деятельности человечества, как опасных, так и неопасных. Даже если будут разработаны новые материалы и технологии, что делать с уже накопленным мусором?
— Эта область находится на стыке химии и экономики. Химия может разработать технологии по утилизации и переработке мусора, но необходимо, чтобы общество или правительства были заинтересованы в этом, так как на очистку потребуются огромные средства. При этом не стоит ждать быстрого результата — необходимо стремиться к диалогу и быть терпеливым.
Когда я был студентом, жители городов Японии страдали от очень серьезного загрязнения воздуха оксидами серы. Сегодня этой проблемы нет: появились технологии, так как появилась общественная потребность.
За несколько десятилетий воздух в больших городах стал чистым. В тоже время ученые, на которых постоянно обращено внимание общественности, при возникновении проблем, требующих незамедлительного решения, должны быть честны перед обществом: их решение занимает время, иногда значительное время.
— И все-таки каких прорывов нам стоит ожидать от химии?
— Возвращаясь к теме энергетики, важнейшей технологией можно назвать синтез водорода. Водород является крайне важным энергетическим ресурсом, который широкомасштабно может использоваться в топливных элементах. Водород производится из углеводородов, и на сегодня это единственный технологически доступный источник водорода. Соответственно, использовать такую технологию не очень разумно, так как водородные топливные элементы призваны стать заменителем углеводородов на транспорте. Именно поэтому получение водорода за счет разложения воды с помощью солнечной энергии представляет собой перспективный способ получения водородного топлива. Пока с точки зрения эффективности такая технология не очень успешна и не очень разумна для применения, так как получение энергии, с помощью которой выделяется водород, также требует значительных энергозатрат.
Необходимо разработать такую технологию, которая бы позволяла вести синтез, используя напрямую солнечную энергию, но это крайне сложно (потому что вода стабильна на солнечном свету) и в то же время очень опасно.
Пока мы рассчитываем на то, что будет разработан некий катализатор, который позволит производить водород из воды под действием солнечной энергии. Такая технология станет революцией в энергетике.
Новые аккумуляторы энергии также крайне важны. Если у нас не будет аккумуляторов, то не будет реальной альтернативы существующими электростанциями, ведь энергию возобновляемых источников мы не сможем использовать долгосрочно, так как мы не умеем ее накапливать и сохранять.
Важным в будущем будет разработка новых каталитических процессов. Сегодня химическая промышленность энергетически очень затратна — следовательно, надо снизить потребление энергии. С другой стороны, существует необходимость в безотходных химических процессах, которые часто оказываются более энергозатратными по сравнению с процессами, в которых проблемам минимизации отходов и загрязнения уделяется меньшее внимание. Для решения этих двух проблем необходимо разработать новые каталитические процессы, снижающие использование энергии.
Для решения многих задач потребуется улучшение работы и упрочение связей между химиками, инженерами и бизнесом — для вывода наиболее успешных с точки зрения эффективности решений на широкий рынок.
Для этого потребуются изменения в университетской системе.
Но изменения в системе образования — это уже социальные инновации, которые будут посложнее для реализации, чем технологические, и на них тоже потребуется от 30 до 40 лет.
— В XX веке инновации в технологиях были направлены на ускорение процессов, минимизацию размеров, увеличение эффективности использования энергии и ресурсов. Как вы считаете, какими через несколько лет будут сами инновации и подходы к инновационной деятельности?
— В XX веке кроме по-настоящему прорывных изобретений, например реакции Габера--Боша, подавляющая часть инновационной активности была направлена на увеличение эффективности. Я считаю, что в XXI веке нам опять нужны прорывы, на которые нас могут вдохновить процессы, происходящие в природе. Сравним, для примера, природный процесс денитрификации и производство азотных удобрений человеком. Для производства растительной продукции сельского хозяйства необходимы удобрения, а половина удобрений сегодня — это нитраты.
Сложно представить, но человечество производит в год примерно 140 миллионов тонн азотных удобрений.
Как мы знаем, примерно половину урожая человечество получает, благодаря использованию удобрений. Без удобрений мы не смогли бы кормить половину населения. Процесс синтеза аммиака — очень сложный и энергетически затратный процесс. Реакция Габера--Боша требует очень высокого давления и очень высокой температуры, а соответственно, много энергии. Примерно 1–2% от всей энергии, затрачиваемой на производство азотных удобрений, приходится на реакцию Габера--Боша. Но в природе бактерии, которые участвуют в процессе денитрификации, производят этот процесс без затрат большого количества энергии, без высокого давления и температуры. Если мы сможем научиться у природы такому процессу, это будет выдающееся достижение. Это очень высокий уровень науки, и, скорее всего, наука в будущем должна ориентироваться именно на подобный уровень.
Другой задачей является понимание процесса фотосинтеза и его воспроизводство — это будет один из наиболее эффективных путей создания энергии. Существует огромное количество направлений, в которых мы должны учиться у природы, при этом эти проблемы являются крайне интересными с точки зрения науки.
— В каких странах такие прорывы могут появиться, в богатых странах или же в странах, которые сталкиваются с проблемами?
— Конечно, самый простой ответ — страна, которой требуется решение стоящей перед ней проблемы, будет акцентировать свой научный и инновационный фокус именно на этой проблеме. Например, если России необходимо уменьшить объемы определенных видов загрязнения или полностью утилизировать отходы, то Россия и должна искать решение этой проблемы. Возможно, другие страны, столкнувшись в будущем с подобными проблемами, смогут перенять или купить требуемые технологии. Задачи, стоящие перед каждой страной, индивидуальны. Для одних стран более важным является обеспечение энергией, для других — продовольствием, для третьих — адаптация к изменениям климата, для четвертых приоритетны экономические проблемы.
Но я уверен, что в будущем перед миром и в первую очередь перед наукой встанут, а возможно, и уже стоят очень сложные задачи.
Учитывая масштабы и сложность проблем, совершенно очевидно, что для решения недостаточно усилий одной страны и необходим междисциплинарный подход. Думаю, будущее за сотрудничеством между отраслями науки и между разными странами для совместного поиска решений. Уже хорошо видна тенденция по сближению различных отраслей науки и эффективность междисциплинарного подхода.
— Такая тенденция заметна и по решениям Нобелевского комитета. Нобелевская премия по химии последнее время часто присуждается за исследования в медицине и в биологии, а не за исследования в чистой химии. Последний пример — в 2012 году лауреатами Нобелевской премии по химии стали профессор медицины Роберт Лефковиц и профессор медицины Брайан Кобилка.
— Полностью согласен! Некоторые ученые-химики очень скептично относятся к тому, что Нобелевская премия по химии не была присуждена за научные достижения в области чистой химии. Я читал об этом, в том числе и в японских газетах.
Я же вижу в этом расширение области деятельности и влияния химии как науки.
Такая мультидисциплинарность науки не может не радовать (и я поддерживаю решение Нобелевского комитета): именно она и может в будущем привести к решению озвученных проблем.