Люди стали летать самолетами гораздо чаще, чем раньше. Нам всем нужно быстро перемещаться, поэтому авиационный керосин сильно загрязняет атмосферу парниковыми газами. Но инженеры из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейне нашли необычный способ решить эту проблему. Они придумали, как превращать пищевые отходы в экологичное авиатопливо. Оно соответствует всем отраслевым стандартам, и для его использования не нужно смешивать его с обычным керосином из нефти. Исследователи описали свою работу в журнале Nature Communications. Если технологию внедрят, она поможет авиации достичь цели — к 2050 году свести к нулю выбросы углекислого газа.

Как это работает по шагам. Сначала ученые берут остатки еды и греют их под высоким давлением — этот процесс называется гидротермальным сжижением (похоже на то, как в природе образуется нефть). На выходе получается жидкая бионефть. Потом ее очищают от примесей. И наконец добавляют водород и катализаторы, чтобы довести смесь до состояния готового авиационного топлива.

Соавтор исследования Сабрина Саммерс недавно защитила докторскую диссертацию. Она объясняет:

Гидротермальное сжижение по сути копирует природное рождение нефти в земных недрах. Мы берем влажную биомассу, нагреваем и сжимаем ее — и получаем бионефть. Наша задача — превратить эту бионефть в такое топливо для самолетов, которое можно сразу заливать в существующие баки и использовать обычную инфраструктуру.

Для эксперимента взяли отходы с ближайшего пищевого комбината. Каждый год в мире пропадает больше тридцати процентов всей еды — на всех этапах: с полей, при перевозке, на заводах, в магазинах, ресторанах и дома. Гниение еды на свалках и очистных станциях тоже дает парниковые газы, так что перерабатывать отходы вдвойне полезно для климата.

Главный плюс — способ подходит не только для еды. Гидротермальное сжижение работает с разными отходами: осадком из канализации, водорослями, свиным навозом, остатками урожая на полях.

Руководитель проекта, профессор Юаньхуэй Чжан, говорит:

Чтобы авиация перестала загрязнять воздух, нужно много разных возобновляемых источников. Сельское хозяйство здесь сыграет ключевую роль — именно оно даст сырье для топлива.

Когда бионефть получили, ее надо было превратить в керосин. Сначала удалили влагу, золу и соль. Потом применили каталитическую гидроочистку — этот этап убирает ненужный азот, серу и кислород. Остаются только углеводороды, которые и нужны для горения. Ученые перебрали десятки вариантов катализаторов и нашли самый эффективный из доступных на рынке — кобальтмолибденовый.

Дальше начали подбирать режим: меняли температуру, количество катализатора и водорода, время выдержки. Так вывели лучшие условия для получения авиатоплива. Готовый образец проверили по жестким стандартам Американского общества по испытанию материалов и Федерального авиационного управления. Результат — топливо прошло предварительные тесты уровней «Альфа» и „Бета“ и подошло под все требования к обычному авиационному керосину. Никаких добавок или смешения с ископаемым топливом не потребовалось.

Профессор Чжан уверен, что технологию можно масштабировать до промышленного производства.

Наша работа решает научные и инженерные задачи. Дальше дело за бизнесом. Этот же процесс можно применять и к другим маслам для получения экологичного авиатоплива. Им же можно заменять нефтяные компоненты для производства пластмасс. У технологии огромный коммерческий потенциал, — добавляет он.

Чжан также разработал индекс для измерения циркулярной биоэкономики. По его словам, новое топливо — отличный вклад в замкнутый цикл:

При линейной экономике мы произвели, использовали и выбросили. А здесь мы берем отходы, извлекаем из них энергию и материалы и делаем полезный продукт. Это и есть недостающее звено в круговой модели.

Пока исследование находится на лабораторной стадии, и назвать точную цену за литр топлива сложно. Однако процесс использует гидротермальное сжижение — эта технология требует дорогого оборудования (высокое давление и нагрев до 300–350 градусов). Катализатор на основе кобальта и молибдена тоже не дешевый, но он уже выпускается промышленно. Сырье (пищевые отходы) практически бесплатное и даже дает доход за утилизацию. По оценкам авторов, после масштабирования цена может стать конкурентоспособной с обычным авиакеросином (сейчас около 0,5–0,8 доллара за литр оптом). Но на первых порах топливо будет дороже, и авиакомпании вряд ли перейдут на него без субсидий или углеродных налогов.

Это не прорыв в том смысле, что гидротермальное сжижение придумали не вчера. Его изучают уже лет двадцать. Но раньше полученную бионефть всегда приходилось смешивать с обычным керосином — в одиночку она не соответствовала стандартам. Главное достижение здесь в том, что инженеры подобрали такие режимы очистки и катализатор, что чистое биотопливо из пищевых отходов впервые прошло все авиационные тесты без добавок. Это скорее аккуратный, но важный шаг вперед на пути к полностью возобновляемому топливу. До этого подобного результата добивались только с другими видами сырья (например, с маслами водорослей), но с пищевыми отходами — впервые.

Этических проблем почти нет, потому что используют то, что все равно выбрасывают. Никто не отнимает еду у голодных — берут отходы с заводов и помои. Потенциальный вред может быть косвенным. Если технология станет массовой, компании могут начать специально производить больше пищевых отходов, чтобы топить ими самолеты. Или вместо борьбы с потерями еды на всех этапах цепочки станет выгоднее просто скармливать отходы в реактор. Кроме того, при гидротермальном сжижении образуются сточные воды с высоким содержанием азота и фосфора — их надо очищать, иначе они попадут в реки. В остальном технология этичнее добычи нефти и бурения скважин.

Прямо сейчас разработку нельзя испытать или пощупать. Даже через пять лет — вряд ли. Реалистичный срок: если технологию признают коммерчески выгодной и построят заводы, то в тестовых рейсах топливо могут начать применять через 5–7 лет, а массово — через 10–15 лет.

Сравнение с аналогами

Главное преимущество нового метода — он не требует добавок, а сырье дешевое. Недостаток по сравнению с HEFA — сложность оборудования. Плюс из растительного масла выход топлива выше и качество стабильнее, потому что масло уже чистое, а пищевые отходы всегда разного состава.

Есть и замечания.

• Первое — работа сделана в лаборатории, но авторы не показали, сколько энергии потребляет сам процесс гидротермального сжижения и гидроочистки. Если нагрев и высокое давление потребляют электричества больше, чем потом дает топливо, то экологический смысл пропадает.
• Второе — катализатор кобальт-молибден токсичен и требует осторожного обращения и утилизации.
• Третье — сырье (пищевые отходы) крайне неоднородно. В лаборатории взяли отходы с одного завода, а в реальной жизни состав будет постоянно меняться, и поддерживать оптимальный режим станет сложно.
• Главный подвох: исследование не уточняет, как часто нужно менять катализатор и сколько он стоит в пересчете на литр топлива. Если катализатор дорогой и быстро забивается примесями, экономика сломается.

Ранее российские ученые создали первые образцы авиатоплива из биологического сырья.