Научни новини: Полезни отпадъци, пречистване на вода, „Старлайнер“ и „Вояджър 1“

Полезни отпадъци

Използването на плодовете на какаовото дърво е древна традиция, започнала преди повече от 5000 години в Южна Америка, на територията на днешен Еквадор. Европейските колонизатори за първи път пренасят какаови зърна на Стария континент през XVI век и както се казва, останалото е история. 

Традиционната технология за производство на шоколад е изключително трудоемка. Плодовете на дървото се берат ръчно, след което се изважда сърцевината им – лепкава маса от пулп и семена. Тя преминава през няколкодневна ферментация, после зърната се изсушават, изпичат и смилат, за да се получи какаова маса, която служи за основа на различни продукти.

Тъй като какаовата маса не съдържа много естествени захари, тя не е особено сладка и има характерен горчив вкус. Затова към нея обикновено се прибавят захар, мляко на прах и други добавки. Понякога това се прави дори и за натуралните шоколади, за да им се придаде известна сладост.

Интересен подход за намаляване на екологичния отпечатък от производството на шоколад е т.нар. шоколад от цял плод. В него се използват части от плода, които обикновено се изхвърлят – вътрешната част на шушулката (ендокарп) и месестият пулп, обвиващ семената. За целта ендокарпът се стрива на прах и се смесва с пулпа, за да се образува сладък гел. След смесването му с емулгатор (например лецитин) този гел може да замести рафинираната захар в шоколада.

След изпитване на различни рецепти в лабораторни условия учени са намерили една рецепта, при която текстурата на шоколада е неразличима от традиционно приготвения. Резултатът е потвърден от 11-членно жури. Вкусът не отговаря напълно, защото продуктът не е толкова сладък, колкото контролата. Това вероятно се получава, защото гелът е с по-едри частици, които не са с кристална структура и не се разтапят в устата като захарта. Друга промяна във вкуса е появата на специфични плодови нотки.

Това води и до следния недостатък на технологията: приложима е само в производството на тъмен шоколад, чийто конвенционален еквивалент съдържа около 10% добавена захар.

Все пак подходът има предимства както от хранителна, така и от екологична гледна точка. Освен че количеството на вложената захар намалява, в шоколада има повече фибри и по-малко наситени мазнини поради редуцираното количество какаово масло (което понякога се заменя с рибено). Ползите за природата също са разнообразни: избягват се отглеждането и транспортът на захарно цвекло, производството е по-независимо, а отпадъците намаляват.

Идеята на учените не е революционна, защото подобни шоколади се предлагат на пазара от няколко години, макар да са все още рядкост. Но в изследването си авторите описват начин за прецизиране и оптимизиране на технологията и измерват потенциалния ефект върху околната среда – фактори, които са важни за масовото ѝ въвеждане.

Външната част на шушулките на какаовия плод също може да бъде оползотворена за производството на забавители на горенето. Това са вещества, с които могат да се третират материали, така че драстично да се намали тяхната запалимост. По-старите забавители са бром- и хлорсъдържащи молекули, които са токсични. Това налага забраната на употребата им и въвеждането на нови продукти, един от които се базира на модифициран лигнин. Обикновено лигнинът се добива от дървесина, но се съдържа и в други видове растителни тъкани, като шушулките.

За извличането му шушулките първо се смилат на прах, след което минават през няколко стъпки на обработка за отстраняване на мазнини, въглехидрати и белтъчини. Полученият чист лигнин може да се модифицира в три химични стъпки, така че към него да се прикачи молекула, наречена DOPO, която му придава способността да забавя горенето. Така обработеният лигнин не гори при нагряване, а само се овъглява.

Резултатът е обещаващ, но въпреки че DOPO се счита за вещество с ниска опасност за здравето, авторите на изследването отбелязват, че трябва да се направи оценка на риска, преди да се използва. Ако безопасността му се потвърди, може да бъде добавен към продуктите, които се използват в момента, и да даде възможност за оползотворяване и добавяне на стойност при отпадъци от земеделието.

Пречистване на вода

С промяната на климатичните условия достъпът до питейна вода на големи групи хора ще става все по-голямо предизвикателство. Едно от решенията е използването на океанска вода, но обезсоляването ѝ е изключително скъпо, енергоемко и неприложимо в много географски райони, застрашени от недостиг на вода. Там обикновено се прибягва до изпомпване на вода от подземни находища, която често съдържа най-различни замърсители – тежки метали, пестициди, торове.

Индия е такова място – в много от щатите ѝ нивата на арсеник и флуор са над допустимите според Световната здравна организация. За решаването на този проблем местен колектив е разработил иновативна технология, която не само пречиства водата, но и позволява безопасно депониране на замърсителите, както и многократно използване на системата.

Процесът започва с пропускането на замърсената вода през филтър, направен от хитозан, към който са добавени метали – желязо и алуминий. Хитозанът е естествен полимер, получен при третирането на хитина от черупките на ракообразни с основен агент (например натриева основа). При преминаването на водата през филтъра арсеникът се адсорбира върху хитозана и така водата се пречиства.

Следващата стъпка е отделянето на арсеника от филтриращия материал, който по този начин се регенерира за повторна употреба. Това се постига с помощта на промиването му с разтвор на натриева основа. Отработеният разтвор се пречиства през мембрана, която отделя арсеника от него, и той може да се използва отново.

Финалната стъпка е биоремедиацията на арсеника с помощта на тор от крави. В него се съдържат микроорганизми, които имат способността да метилират арсеника и да го преобразуват от неорганичен тежък метал в многократно по-безопасна органична форма. За този процес е нужно кратко време (около седмица) и после получената смес може да бъде депонирана, без да оказва голямо влияние върху околната среда.

Процесът се прилага успешно и при замърсяване от флуор, като за целта в последната стъпка той се утаява с помощта на калциев хидроксид (гасена вар) или калциев хлорид. Получената утайка от калциев флуорид е неразтворима във вода и е практически инертна форма на флуора.

Възможността за преизползване на много от компонентите в процеса прави разработката на екипа практична и иновативна – качества, които са отразени в заявление за патент от началото на годината. Изследователите вече работят върху подобряване на технологията, така че да може да се използва и за други тежки метали, както и в по-голям мащаб. Идеята е в малките населени места, където няма достъп до много средства и инфраструктура, да се изградят пречиствателни станции, които да осигуряват чиста питейна вода и да бъдат лесни за поддръжка.

За пречистване на вода може да се използват и различни растителни отпадъци. Процесът, при който замърсителите се адсорбират (прикрепват се по повърхността ѝ) или абсорбират (вмъкват се в нея) от биологична матрица, може общо да бъде наречен биосорбция.

Биосорбцията набира популярност и съществуват редица примери за употребата ѝ – абсорбция на живак в използвано кафе, лекарствени продукти в люспи от ориз, багрила в черупки от орехи. Кокосовите отпадъци, съставляващи над 60% от целия плод, са особено добър адсорбент и може да се използват за премахване на кобалт, хром и никел, при това без никаква обработка. 

За подобряване на способността за свързване на опасните субстанции растителните отпадъци могат да бъдат третирани по различен начин – с киселини, основи или други вещества. Така тяхната структура се променя и адаптира спрямо замърсителите. Недостатък е, че при тази обработка често се генерират токсични отпадъци, които следва да се третират по специален начин, за да се обезвредят.

Постигнатите до момента успехи са обобщени в публикация, в която също се предлагат разнообразни методи за оптимизация на технологията. Авторите не крият и предизвикателствата, които трябва да се преодолеят преди по-широкото ѝ приложение. Преработката им може да създаде нови потоци, които трябва да бъдат пречиствани. Също така тяхната селективност не е висока и понякога замърсителите не могат да бъдат извлечени. Това ограничава възможността за преизползването на биосорбантите, както и за връщането на тежките метали в различни производствени процеси.

Въпреки това технологията изглежда перспективна и се работи активно за премахване на тези пречки. Пример за подобряване на регенерацията е третирането с ултразвук или електрохимически методи. Със задълбочаване на климатичните промени нуждата от използване на цялата добита биомаса ще се увеличава, тъй като земеделието ще става все по-енергоемко, скъпо и трудно. Подобни технологии са много обещаващи, защото предоставят възможност ключови ресурси като например замърсените води да станат достъпни.

„Старлайнер“ е в орбита

След дългогодишни отлагания капсулата „Старлайнер“ на „Боинг“ бе изстреляна към Международната космическа станция (МКС) с екипаж от двама астронавти – ветераните Сунита Уилямс и Бъч Уилмор. Първоначалният план беше капсулата да е завършена през 2014 г., а полетите с екипаж да започнат през 2017 г., но първо проектът имаше финансови проблеми с одобряването на бюджета за НАСА, а след това технически – от страна на „Боинг“. През 2022 г., след успешен пробен полет, капсулата беше одобрена за тест с астронавти, но при проверка се установи, че е използвана запалима изолация на кабелите и беше открит проблем с парашутите, което наложи поредното отлагане.

В последните няколко месеца различни технически спънки забавиха полета, като непосредствено преди него беше установен и теч на хелий в системата за управление на капсулата. След преценка на риска беше взето решение, че тя може да бъде изстреляна. За съжаление, изпускането на газ се оказа само началото – след като стигна до ниска околоземна орбита, по време на захода към МКС в капсулата се появиха нови течове и няколко от двигателите за контрол на ориентацията ѝ отказаха. Това наложи известно забавяне на скачването, но то се осъществи и в момента астронавтите са в станцията.

От НАСА и „Боинг“ взеха решение да забавят връщането на капсулата към Земята, докато не се анализират всички данни. Ако няма промяна в текущите планове, астронавтите трябва да кацнат на 26 юни в Ню Мексико.

Въпреки възникналите проблеми успешният полет до МКС е добра новина за НАСА, тъй като след разрешаването им агенцията ще има достъп до две компании (заедно със SpaceX), които могат да извеждат астронавти в орбита. И НАСА, и „Боинг“ разглеждат ситуацията по-скоро като възможност за изчистване на грешки и извличане на информация за подобряване на капсулата, отколкото като провал.

„Вояджър 1“ отново изпраща научни данни

След като повече от половин година не беше ясно дали „Вояджър 1“ ще може да прави измервания и да ги изпраща към нас, благодарение на усилията на техническия екип в НАСА той отново работи на пълни обороти, или поне доколкото позволяват намаляващите му ресурси.

През април с далечната сонда беше осъществена връзка и екипът на НАСА започна да получава диагностични данни, които помогнаха за точно определяне на проблема и изпращане на обновен софтуер, който да заобиколи повредената памет в бордовия компютър. Месец по-късно, в средата на май, към апарата беше изпратена команда да започне да връща данни от два от научните си инструменти – подсистемата за измерване на плазмени вълни и магнетометъра.

Преди няколко дни от НАСА съобщиха, че получават данни и от други два прибора – подсистемата за измерване на космически лъчи и инструмента за измерване на заредени частици. На сондата има още шест измервателни уреда, но те не са активни или поради повреда, или защото са изключени, за да пестят енергия. Апаратът се захранва от генератор с радиоактивни изотопи, който бавно губи ефективността си, и се очаква около 2030 г. да не може да захранва дори и активните към момента четири инструмента.

Екипът планира няколко софтуерни обновления за подобряване работата на апарата. Първо ще бъдат синхронизирани отново часовниците на бордовите компютри, така че всички зададени инструкции да се изпълняват в правилния момент. След това ще бъде направен опит да се оптимизира работата на системата за записване на данни от инструмента, измерващ плазмените вълни. Тези данни се записват на магнитна лента и се изпращат два пъти в годината към Земята, за разлика от повечето друга информация, която не се съхранява, а се изпраща директно.

Така сондата отново заема мястото си на пионер в изследването на междузвездното пространство. Това е районът на Космоса отвъд хелиосферата – сферата, в която все още се усеща ефектът от магнитните полета и заредените частици (т.нар. слънчев вятър), излъчвани от Слънцето. Мисията „Вояджър“, състояща се от два идентични апарата, изстреляни с около две седмици разлика, е най-старата активна мисия на НАСА – 50-годишният юбилей ще бъде отбелязан през 2027 г. Двата апарата са и най-далечните обекти в Космоса, създадени от човек – намират се на почти един светлинен ден от Земята, или над 24 млрд. км.