Освобождение мировой экономики от зависимости от нефти является ключевым фактором для замедления темпов изменения климата.
В таких энергоемких областях, как ракетная, авиационная и судоходная промышленность, топливом служат углеводороды, получаемые из нефти, которые трудно заменить. Эти виды топлива богаты циклическими молекулами с напряженными углами связей, что позволяет им сохранять больше энергии, чем нециклическим молекулам. Наибольшее количество энергии может быть запасено в циклопропанах, но эти молекулы трудно получить путем органического синтеза.
В недавнем исследовании, проведенном группой экспертов по биотопливу из National Laboratory Lawrence Berkeley и опубликованном в журнале Joule, рассматривается новый класс устойчивого биотоплива, достаточно мощного для запуска ракет. Хотя люди производят топливо из нефти с 1800-х годов, этот процесс требует грубой химической обработки. С другой стороны, бактерии уже миллиарды лет производят энергетические молекулы на основе углерода.
В настоящее время NASA использует комбинацию топлива (жидкий водород) и окислителя (жидкий кислород), чтобы заставить свои массивные ракеты взлететь со стартовой площадки в космос. Несмотря на технологическую эффективность и впечатляющее зрелище, в связи с различными видами топлива, используемыми для того, чтобы эти гигантские ракеты отправлялись в неизвестность, возникают экологические проблемы.
Используя биологию в качестве источника вдохновения, ученые успешно создали с помощью бактерий топливо на основе полициклопропанированных метиловых эфиров жирных кислот (POP-FAME), которое может обладать энергетической ценностью, превышающей показатели наиболее широко используемых ракетных и авиационных топлив, включая ракетное топливо, используемое NASA.
Авторы изучили химическое разнообразие, закодированное в тысячах бактериальных геномов, чтобы определить и перепрофилировать встречающиеся в природе циклопропанированные молекулы. Они определили набор кандидатных итеративных поликетидных синтаз (iPKS), которые по прогнозам должны производить полициклопропанированные жирные кислоты (POP-FAs), экспрессировали их в Streptomyces coelicolor и произвели POP-FAs. Затем они определили структуру молекул, увеличили их производство в 22 раза и произвели POP-FAME.
"Этот биосинтетический метод обеспечивает экологичный способ получения высокоэнергетического топлива, которое до этой работы могло быть получено только из нефти с использованием высокотоксичного процесса синтеза", - рассказал руководитель проекта Джей Кислинг, генеральный директор Объединенного института биоэнергетики Министерства энергетики США (JBEI) и один из соавторов исследования. "Поскольку эти виды топлива будут производиться бактериями, питающимися растительной массой - которая производится из углекислого газа, извлекаемого из атмосферы - сжигание их в двигателях значительно снизит количество добавляемых парниковых газов по сравнению с любым топливом, произведенным из нефти".
Данные, полученные в результате моделирования, показывают, что POP-FAME стабильны и безопасны при комнатной температуре, а их показатели энергетической плотности после химической обработки будут превышать 50 мегаджоулей на литр (МДж/л). Для сравнения, обычный бензин имеет плотность энергии 32 МДж/л, а JetA (наиболее распространенное авиационное топливо) и RP1 (популярное ракетное топливо на основе керосина, используемое NASA и SpaceX) - около 35 МДж/л.
В ходе работы исследовательская группа обнаружила, что POP-FAME имеют структурное сходство с экспериментальным ракетным топливом на основе нефти под названием Синтин. Это ракетное топливо было разработано Советским Союзом в 1960-х годах и использовалось для нескольких запусков космических кораблей "Союз" в 1970-х и 1980-х годах. Однако его производство было прекращено из-за высокой стоимости и сложного процесса его изготовления, в частности, из-за синтетических реакций с токсичными побочными продуктами и взрывоопасным промежуточным продуктом.
"Хотя POP-FAME имеет схожую структуру с Синтином, у него более высокая энергетическая плотность. Более высокая плотность энергии позволяет снизить объем топлива, что позволяет увеличить полезную нагрузку ракеты и снизить общий уровень выбросов", - говорит соавтор исследования Александр Ландера. "При смешивании с реактивным топливом правильно дезоксигенированные версии POP-FAME могут обеспечить аналогичное преимущество".
Несмотря на то, что следующим шагом будет расширение масштабов производства до коммерчески жизнеспособного процесса, наличие метода производства на биооснове открывает возможность замены ископаемых видов топлива. В качестве следующего шага группа надеется создать процесс, в котором они смогут успешно удалить два атома кислорода из каждой молекулы, которые добавляют вес, но создают неудобства при сгорании.
