Растения-шахтеры: зеленая революция в производстве электромобилей

В мире науки и технологий не так давно появилось интересное направление исследований — фитомайнинг. Этот метод предполагает использование растений для извлечения металлов из почвы. Недавно Министерство энергетики США через свое Агентство перспективных исследовательских проектов (ARPA-E) выделило 9,9 миллионов долларов на семь проектов , посвященных этой теме. Хотя идея может показаться фантастической, ученые уверены в ее потенциале.

Главный фокус исследований — никель, который играет ключевую роль в производстве литий-ионных аккумуляторов для электромобилей. Спрос на этот металл стремительно растет, но традиционные методы добычи часто вызывают недовольство местного населения и активистов. Фитомайнинг может стать альтернативой, позволяющей диверсифицировать источники получения критически важных ресурсов.

Ученые обратили внимание на уникальную способность некоторых растений накапливать металлы в своих тканях. Таких видов (так называемых гипераккумуляторов), насчитывается около 750. Более двух третей из них специализируются именно на никеле. Растения поглощают металлы вместе с другими питательными веществами из почвы и адаптировались к их высоким концентрациям. Хотя концентрация металла в тканях относительно невелика (около 1 мг на грамм сухого вещества), после сжигания биоматериала можно получить золу, содержащую до 25% никеля или даже больше.

Однако для коммерческого использования этот метод пока недостаточно эффективен. Самые продуктивные из известных гипераккумуляторов способны производить лишь 50-100 кг никеля с одного гектара в год. Этого хватит всего на 2-4 аккумулятора, а площадь добычи превысит размер футбольного поля. Цель исследовательской программы — увеличить показатель как минимум до 250 кг с гектара, чтобы сделать фитомайнинг экономически целесообразным.

Ученые работают над несколькими направлениями. Одни ищут новые виды, способные накапливать никель еще эффективнее. Например, Рупали Датта из Мичиганского технологического университета изучает ветивер — многолетнюю траву с глубокой корневой системой, известную способностью поглощать свинец и часто используемую в проектах по очистке почв. Другая группа планирует проанализировать более 100 000 образцов из гербариев с помощью рентгенофлуоресцентного сканирования.

Некоторые работают над улучшением уже известных видов. Например, многие эффективные накопители никеля имеют небольшую биомассу. Исследователи пытаются увеличить их размеры, в частности, развивая более мощную корневую систему, которая позволит гипераккумуляторам проникать глубже в почву. Ричард Амасино из Висконсинского университета в Мадисоне работает над изменением цикла роста растений рода Odontarrhena с яркими желтыми цветами. Его цель — отсрочить цветение, чтобы растения могли дольше накапливать никель перед завершением вегетационного периода.

Важный аспект исследований — предотвращение инвазивного распространения таких растений в новых экосистемах. Ученые должны убедиться, что виды, привезенные из Европы, в том числе Odontarrhena, не нанесут вред местной флоре в США или других регионах.

Саймон Джовитт, директор Центра исследований экономической геологии в Университете Невады в Рено, считает, что хотя растения вряд ли смогут заменить традиционные методы добычи никеля в больших объемах, они могут быть эффективны для переработки отходов горнодобывающей промышленности. Изучаются также вопросы восполнения запасов металла в почве после его извлечения. Возможно, потребуется удалять верхний слой почвы для доступа к более глубоким залежам после каждого цикла выращивания и сбора урожая. Ученые анализируют, как естественные процессы, например, движение грунтовых вод, могут пополнять запасы целевых элементов в почве.

Кроме того, анализируется экологическая устойчивость фитодобычи. Например, сжигание растений для получения золы, богатой никелем, приведет к выбросам парниковых газов. Необходимо провести тщательный анализ, чтобы убедиться, что преимущества метода превышают его недостатки.