Жан-Филипп Тессонье отодвигает в сторону монитор, чтобы яснее показать картинку на экране. На иллюстрации в левом верхнем углу фермер управляет комбайном, который едет через кукурузное поле. Урожай с этого поля отправляется направо — на переработку. Там его ждет ферментационная установка, которую питают ветряки и солнечные батареи.

В итоге получается густая масса, похожая на пивное сусло: вода, соли и микроорганизмы. Она пахнет, по словам ученого, дрожжевым пшеничным пивом. Эта смесь движется дальше, в центр рисунка. Там расположен «электробиореактор» — устройство, которое обрабатывает массу слабым электрическим током, буквально в несколько вольт.

Электробиореактор — это устройство, которое объединяет в себе два мира: мир живых микроорганизмов и мир электричества. В обычном реакторе микробы просто бродят и перерабатывают сахар в спирт или другие вещества. В электробиореакторе внутрь этой «живой» браги помещают электроды и пропускают слабый ток. Удары током заставляют продукты жизнедеятельности микробов вступать в дополнительные реакции, превращаясь в те сложные молекулы, которые химикам было бы трудно получить только микробами или только нагревом.

Электричество здесь выступает катализатором. Оно запускает химические реакции, в результате которых получаются молекулы — основа для производства нейлона 6,6. Это полимер, с которым мы сталкиваемся ежедневно: из него шьют одежду, делают детали машин, электроразъемы, зубные щетки, туристическое снаряжение и медицинские приборы.

Мы в Университете штата Айова уникальны тем, что соединили биологию и электричество, — говорит Тессонье, профессор кафедры химического и биологического машиностроения. — Насколько я знаю, в США никто больше так не работает.

По мнению профессора, такой гибридный подход может стать шагом к настоящей «зеленой» революции в химической промышленности. Сегодня производство химии завязано на нефти и требует огромных температур, давления и энергии. Новый метод предлагает работать при комнатной температуре.

Правда, путь этот тернист. Сам Тессонье в статье для журнала Chem Catalysis честно признает: обезуглероживание химпрома — это сизифов труд. Часто самые передовые технологии разбиваются о суровую реальность рынка, где дешевизна традиционного нефтехимического сырья пока выигрывает.

Чтобы сдвинуть дело с мертвой точки, профессор возглавил четырехлетний проект под названием ChaRGE (это аббревиатура от «Химия из возобновляемого сырья через зеленую электрохимию»). На него выделили два миллиона долларов от Национального научного фонда США.

Идея проекта родилась еще в 2012 году, когда Тессонье только пришел работать в университет. Тогда он понял простую, но важную вещь: нельзя просто взять и заменить нефть на кукурузу в существующих технологиях. Нужно переосмыслить сами химические процессы.

Вопрос, который задал себе ученый: как ускорить реакции без нагрева? И нашелся ответ: приложить электрическое поле. Ток позволяет вкладывать энергию в систему прямо при комнатной температуре и обычном давлении.

Со временем команда Тессонье научилась гибридным методом — ферментация плюс электрохимия — получать из биосырья молекулы с особыми свойствами. Они становятся «кирпичиками» для промышленных нейлонов и пластиков. Сейчас исследователи работают над тем, чтобы создавать и другие молекулы, из которых можно делать полимеры с улучшенными характеристиками.

Проект ChaRGE должен доказать: такой симбиоз технологий способен эффективно и чисто производить ценные для промышленности вещества.

Но это не только химия. Это еще и кузница кадров. В лаборатории на втором этаже Исследовательского центра биовозобновляемых ресурсов работают трое студентов и семеро аспирантов.

Специалист будущего должен обладать широчайшим кругозором, — уверен Тессонье.

Поэтому его подопечные осваивают все сразу: переработку биомассы, биотехнологии, реакторное дело, разработку продуктов, логистику, производственные системы и электрохимию.

Для аспирантки Деванши Мистри из Мумбаи, которая работает в группе с 2022 года, это бесценный опыт.

Я не просто занимаюсь наукой, — говорит она. — Я расту как лидер, учусь решать сложные задачи и работать в команде. К концу учебы я буду готова стать полноценным исследователем в сфере биопроизводства.

По замыслу разработчиков, проект ChaRGE — вещь многоплановая. Он должен не только обезуглерожить американскую химическую отрасль и укрепить лидерство США в этой сфере, но и дать толчок развитию сельских регионов. Как пишут сами исследователи, результаты их работы обещают стать преобразующими на всех уровнях.

Для науки это исследование интересно тем, что стирает границы между дисциплинами. Обычно биотехнологи и электрохимики работают в параллельных мирах. Здесь же мы видим попытку создать единый технологический конвейер. Это подталкивает к пересмотру фундаментальных основ катализа: мы привыкли, что катализатор — это твердое вещество или фермент, а тут в эту роль входит слабый ток.

Для реальной жизни польза видится в децентрализации производства. Представьте: вместо гигантского нефтехимического комбината, который тянется к трубе с нефтью, мы получаем сеть небольших заводов рядом с полями. Фермер растит кукурузу, тут же ее перерабатывают в нужные химикаты для местной фабрики пластика. Это снижает зависимость от глобальных цепочек поставок, которые рвутся из-за кризисов, и оживляет экономику небольших городов.

И хотя исследование, безусловно, амбициозное, смущает один момент: авторы слишком увлеклись химией и забыли про математику. В тексте ни слова не сказано об энергетическом балансе процесса. Сколько электроэнергии мы тратим на производство одного килограмма молекул? Да, ток слабый, но работает он долго. Если мы генерируем это электричество от ветряков — это прекрасно. Но в реальном мире ветер дует не всегда, и нам придется либо ставить огромные аккумуляторы, либо подстраховываться угольной электростанцией.

Пока это выглядит как красивая история про «зеленую химию» в пробирке. Но чтобы она стала реальностью, нужно показать, что новый метод хотя бы не хуже по затратам энергии, чем старый добрый нагрев. Иначе экономическая целесообразность, о которой говорит сам Тессонье, снова похоронит технологию, несмотря на всю ее экологичность.

Ранее ученые создали искусственный фермент без металлов.