Все мы знаем со школьной парты, что нефть, уголь, природный газ являются продуктами разложения биомассы — флоры и фауны, в течение сотен миллионов лет существовавшей на нашей планете. Если бы не гибель простейших растений и организмов доисторической эпохи, останки которых так славно на нас поработали, современной цивилизации пришлось обходиться бы без автомобилей и центрального отопления.
— На самом деле велика вероятность, что это не совсем так, — утверждает доктор физико-математических наук, заместитель директора ИФВД Вадим Бражкин. — Проблема происхождения углеводородов (нефть и газ, как известно, являются соединениями углерода с водородом, отсюда название) занимает умы человечества сотни лет. Органическая теория возникновения углеводородов сегодня господствующая. Однако вплоть до ХХ века в научной среде активно соперничали две точки зрения. Альтернативная версия как раз заключалась в том, что углеводороды имеют неорганическое (абиогенное) происхождение. Этого взгляда придерживался, в частности, великий Менделеев, изучавший в свое время Бакинские нефтепромыслы и даже побывавший в Америке, где ознакомился с нефтяными скважинами в Калифорнии.
Но в середине прошлого века победила точка зрения “органиков”.
Планктон ни при чем?
Если при нормальном давлении нагреть нефть, то она распадется на фракции. Распалась — и ладно. Однако пытливым ученым хотелось узнать, при каких условиях эти фракции соберутся обратно, чтобы образовать такую достаточно сложную систему, как нефть. Увлекательная игра в конструктор, не так ли?
— Побудительные мотивы, конечно же, были иными, когда у нас в институте возникла идея проверить возможность образования углеводородов в условиях, максимально приближенных к тем, которые существуют в верхней мантии Земли, то есть при высоких давлениях и температурах, — рассказывает Вадим Бражкин. — Может быть, именно там образуются эти самые неорганические углеводороды?
Справка "МК"
<p>Углерод — универсальный кирпичик живой и мертвой природы. В таблице Менделеева он занимает уникальное место, находясь в середине второго периода. Благодаря тому, что углерод и водород так удачно сидят в периодической системе, из этих двух элементов создано все богатство органических соединений на нашей планете. Если органических соединений насчитывается более 30 миллионов, то неорганических — “всего” несколько сотен тысяч. Именно вокруг углерода, водорода и кислорода крутится жизнь на Земле.</p>Главная трудность заключалась в чистоте проведения эксперимента. Нужно было использовать очень чистые исходные вещества и помещать их в прочную герметичную капсулу, гарантирующую от проникновения внутрь “незваных гостей” — углеводородов из окружающей среды. Исследователям нужна была полная уверенность в абсолютной “стерильности” реакции — посторонним примесям вход туда был заказан.
— Мы взяли для опыта вещества, присутствующие в коре Земли и в ее верхней мантии. Были смоделированы условия верхней мантии на глубинах 100—150 километров, давление там составляют 30—50 тысяч атмосфер, температура — около тысячи градусов Цельсия, — объясняет Вадим. — Мы сделали выбор на герметичных платиновых ампулах, которые не пропускают не только жидкость, но и газ, в них загружалась смесь воды, известняка (карбоната кальция) и окиси двухвалентного железа. Ампулы размещались в специальной камере, где создавалось давление 50 тысяч атмосфер и температура свыше 1000 градусов Цельсия. Полученные продукты анализировались на хроматографической установке.
Неожиданно в полученных продуктах реакции обнаружился широкий спектр углеводородов. Это был не только метан (газ), который обычно сжигают на нефтяных промыслах как ненужный сопутствующий компонент, но и, что особенно важно, длинные молекулы углеводородов, вплоть до очень тяжелых, где в одной молекуле присутствует до 7 атомов углерода. Напомним, что углеводороды на основе молекул с пятью атомами углерода — это уже жидкости, а на основе молекул с 17—20 атомами углерода — твердые вещества.
Наличие метана в лабораторной капсуле несильно удивило. Метан является пограничным между органическими соединениями и неорганическими. Поразило другое — обилие молекул тяжелых углеводородов. Фактически в лабораторных условиях в колбе ученые получили состав, который соответствовал нефти с месторождения “Белый тигр” во Вьетнаме. Но об этом чуть позже.
Копайте глубже!
По оценкам геологов прошлого, запасы нефти и газа должны были исчерпаться на нашей планете уже много раз. Современные данные уточняют, что запасов углеводородов на планете Земля хватит, по-видимому, еще на полвека. Речь при этом, естественно, идет об углеводородах органического происхождения — о каких же еще?
Между тем эксперименты в Троицке показали, что Земля способна продуцировать нефть и газ постоянно. Углерода в верхней мантии много. Нередко он выходит на поверхность — например, в виде алмазов через кимберлитовые трубки. Что такое алмаз? Тот же углерод, из которого в недрах под высоким давлением сформировались кристаллы, и получился самый твердый и драгоценный камень на свете. Брат алмаза — графит, мягкое слоистое вещество, тоже состоит из чистого углерода. Разница между ними кроется в строении кристаллической решетки, которую образуют молекулы углерода при разных давлениях.
— Поскольку Земля не находится в статическом равновесии, она дышит и живет, — продолжает Вадим, — внутри нее одни вещества погружаются вниз, другие поднимаются вверх. Идет постоянный перенос массы, перенос тепла. А это значит, что вещества и породы, присутствующие в мантии Земли, способны к постоянному воспроизводству углеводородов, в том числе нефти, так интересующей человечество.
К истории поисков. На протяжении ХХ века ученые неоднократно получали углеводороды в пробирке, однако на них не обращали внимания. Их отбрасывали, квалифицируя в лучшем случае как артефакт. В худшем — списывали на брак, возникший из-за ненадлежащей стерильности эксперимента.
Ситуация с энергоресурсами, страх исчерпать подземные кладовые заставили вспомнить про артефакты и отнестись к ним гораздо внимательнее.
Работы подмосковных исследователей, начатые девять лет назад, простимулировали аналогичные поиски в США. Это научное направление показалось заокеанским коллегам таким привлекательным, что Америка организовала международный глобальный проект под названием “Обсерватория глубинного углерода”. Троицкие ученые стали его участниками. Их сектор ответственности — выяснение возможностей неорганического синтеза углеводородов. Другие участники мегапроекта занимаются поисками неорганических углеводородов в природе: спускаются на подводных лодках на дно океана, заглядывают в жерла вулканов. С тех пор прошло несколько десятков симпозиумов, тематических конференций. В научном сообществе больше не спорят, возможен ли синтез абиогенных углеводородов. Но каковы их запасы в недрах планеты? Геологи убеждают: они незначительны. Физики не согласны.
Лучшие друзья девушек — это бриллианты
В космосе углерод является четвертым по распространенности элементом. Его присутствие во Вселенной творит чудеса. Так, поверхность Титана (спутника планеты Сатурн) покрыта озерами сжиженного метана и этана, которые излучают завораживающее, голубое сияние. Планета Нептун, как показали исследования, должна быть буквально напичкана алмазами. А в созвездии Кентавра вращается белый карлик Lucy, и вовсе состоящий целиком из алмазов. Жаль, что он чересчур далеко. А вдруг когда-нибудь к нам прилетело такое сокровище? (Впрочем, лучше не надо.)
Другое дело — наша планета. В Земле углерода содержится где-то порядка процента от всей ее массы. Много или мало? По человеческим прагматическим меркам — очень и очень много.
Известно, что большие запасы метана скованы в вечной мерзлоте в так называемых газогидратах. Вероятно, под дном океанов газа в десятки раз больше, чем об этом принято думать, и этим добром стоит пренебрегать.
Кстати, пока у Германии не было своих источников нефти, там большую часть бензина перед Второй мировой войной производили при помощи каталитической реакции — из торфа и угля. Несмотря на успехи науки и технологии, нацисты все же рвались завоевать нефтепромыслы других стран. Каталитическая реакция — зер гут, но даровые фонтаны черного золота, бьющие из-под земли, — лучше.
Шарик с краном
Где и в какой форме находятся углеводороды неорганического происхождения, каким образом происходит обмен ими между мантией и корой, ученым еще предстоит выяснить. На суше залежи могут находиться под скальными породами. Пробиться к ним сложно и дорого. Во всяком случае не дешевле, чем добывать нефть и газ со дна океана.
“А можно ли наладить синтез нефти на каком-нибудь забубенном заводике?” — начнет мечтать обыватель. У нас воды и железа навалом (отличный способ переработки металлолома), принцип тоже понятен. Собственный нефтяной заводик можно поставить где хочешь Но не спешите. Не фантазируйте.
— Во-первых, объем вещества, который получен в эксперименте, микроскопичен — около 1 миллилитра. Собственно углеводороды в нем составляют несколько процентов. А во-вторых, для достижений заданных высоких температур и давлений затрачивается столько электроэнергии, что капля нефти становится дороже золота.
В общем, перспектива гнать нефть из подручного материала нам, к сожалению, не светит. В чем же тогда значение троицкого открытия? Прежде всего в том, что оно меняет взгляд на природу происхождения нефти и газа. Если Земля способна вырабатывать углеводороды в режиме нон-стоп, то это значит, что запасы практически неисчерпаемы.
Ученые шутят: наша планета похожа на резервуар с краником. Достаточно его повернуть, и из него закапает топливо. Легко сказать, но проблема с “краником” в реальности крайне сложна.
— Решение ее составляет часть задач проекта “Обсерватория”, — рассказывает Вадим. — Большинство современных месторождений нефти и газа открыты в пористых осадочных породах, которые просто бурить. Существует наука поиска ископаемых, построенная на теории органического происхождения нефти. Но для геологоразведки углеводородов неорганического происхождения она не подходит. На нетрадиционные месторождения, как правило, наталкивались случайно. Например, во Вьетнаме геологи пробурили гранитные породы, не слишком надеясь на удачу, просто потому что у них оставались “лишние” буры. Однако из скважины хлынула нефть. Так было открыто месторождение “Белый тигр” — самое крупное нефтяное месторождение во Вьетнаме. Зато в Швеции, где ученые стали сверлить свои скалы, нефти не оказалось.
Троицкая нефть
Третье тысячелетие продвинуло науку вперед в исследовании проблемы происхождения углеводородов. Сами ученые, как и положено первооткрывателям, выказывают сдержанный оптимизм. Мол, дефицит нефти и газа человечеству не грозит. Правда, их выводы подрубают под корень политику стран — членов ОПЕК. Если запасы нефти и газа никогда не закончатся, что будет с ценами?
Справка "МК"
<p>Углерод многолик и феноменален. Вспомните про алмазы, графит, нанотрубки и графен — впечатляет? Или возьмите СО2 — углекислый газ, содержание которого в атмосфере стремятся снизить за счет сокращения промышленных выбросов. Не исключено, что в доисторическую эпоху углекислого газа в атмосфере Земли было в сотни раз больше, воздух из-за этого был намного плотнее. Это помогало держаться в воздухе таким тяжеловесным монстрам, как птеродактили.</p>Как утверждают ученые, на глубинах от 70 километров Земля просто забита углеводородами. Но какие рекомендации сможет выдать наука по поводу поиска нефти из подобных глубин — вопрос будущего. По сути речь идет о создании нового направления. Пока в качестве варианта рассматривается сканирование земной коры современными методами, чтобы найти в ней разреженные области, выходящие близко к поверхности. Вполне вероятно, что из этих разломов углеводороды сами стремятся прорваться наружу. Кстати, сейчас в качестве одной из причин катастрофы в Мексиканском заливе, где в прошлом году несколько месяцев не могли заткнуть нефтяную скважину, ученые выдвигают гипотезу выхода абиогенного метана.
Итак, образование углеводородов в Земле — непрерывный процесс, реакции происходят там за секунды. Но чем продолжительнее период охлаждения вещества, тем больше в нем тяжелых углеводородов. Любопытные результаты физики получили и тогда, когда в качестве донора углерода использовали свой “любимый” графит. Ведь визитной карточкой института являются искусственные алмазы, которые были впервые в СССР получены здесь 50 лет назад в результате воздействия высоких давлений на кристаллическую решетку графита. Синтетические алмазы сейчас широко применяются в инструментальной промышленности. А в 2004 году ученые ИФВД РАН добились очередного успеха, впервые в мире синтезировав сверхпроводящий алмаз.
Применив графит в нефтяных опытах, ученые столкнулись с интересной закономерностью. При высокой температуре и давлении в капсуле больше всего получалось метана. При очень высокой температуре метан распадался, оставляя на выходе водород и... алмаз. Но если метан медленно охлаждать, то углерод с водородом начинают соединяться в длинные молекулярные цепочки.
— Реально в Земле этот цикл, видимо, выглядит так: метан просачивается наверх, охлаждается, и к поверхности подходит либо нефть, либо газ. Это зависит от времени охлаждения. В условиях эксперимента мы получили за часы молекулы, содержащие до 10 атомов углерода. Заметим, что в “жирной” нефти длинные молекулы могут насчитывать свыше 20 атомов углерода, — рассказал Вадим Бражкин.
Сувенир на память
Иностранцам нравится заходить в лабораторные корпуса института. Немые свидетели мощи советской науки, сегодня они скорее похожи на неухоженные заводские цеха с закопченными окнами, засаленным полом, станками тридцатилетней давности и портретом товарища Ленина, подвешенным под потолком. Картина маслом — пять метров на три, в полный рост. Здесь переносишься в прошлое, это прикольно. Но впечатление обманчиво. Оборудование и станки, как выясняется, нормально работают, а пыльный Владимир Ильич ничуть не мешает биению творческой мысли.
Кандидат физико-математических наук Николай Николаев показывает лабораторную установку, на которой проводится синтез углеводородов из неорганических компонентов.
— Сюда, — демонстрирует он, — помещается капсула с веществом. Видите, какая она крохотная?
Действительно, чуть меньше гильзы от “мелкашки”. После эксперимента в капсулах находят порошок, оставшийся от вступившего в реакцию синтеза известняка, и коричневую маслянистую жидкость — нефть. Американцы, люди с коммерческой жилкой, предложили наладить выпуск сувенирных контейнеров с нефтью. Все-таки денежка. Тем более что капсулы изготавливаются из платины. Наши люди пожали плечами, подумали: юмор. У них ведь серьезные планы. В ближайшие три года исследователи хотят продолжить эксперименты, расширив линейку “доноров” углерода и водорода, но главное — задействовать уникальную аппаратуру, которая позволяет одновременно снижать давление и температуру в соответствии с земной изотермой. Таким образом они рассчитывают нащупать тот оптимальный режим, при котором на глубине образуется нефть.
На прощание — несколько “детских” вопросов. Ведь открытие троицкими физиками механизма образования нефти и газа действует на умы точно так же, как признание ошибочности дарвиновской теории. Если неорганическая гипотеза правильная, то почему за миллионы лет весь углерод на превратился в нефть и газ?
— Потому что не успел, — объясняют терпеливо ученые. — Диапазон высоких давлений и температур, при которых возможен неорганический синтез, достаточно узок, чтобы нужные вещества попали в него.
Можно ли отличить органическую нефть от неорганической?
— Навряд ли. Раньше выводы об органическом происхождении углеводородов делали по изотопному составу, но сегодня этот способ признан неточным.
И последнее. Когда открытие подмосковных ученых применят на практике?
— Как только появится технология бурения скважин на глубину более 10 километров, а наука разработает новые методы разведки и поиска ископаемых.