בעזרת הטבע

חוקרים מהטכניון ועמיתיהם בגרמניה מציגים שיפור משמעותי ביעילותם של תאים ביו-סולריים המפיקים חשמל ודלק באמצעות אנרגיית שמש. החוקרים הם ד”ר דביר הריס ופרופ’ נעם אדיר מהפקולטה לכימיה ע”ש שוליך ותוכנית האנרגיה ע”ש גרנד בטכניון ועמיתיהם פרופ’ מרק נוואצ’יק וד”ר פולקה הרטמן מ-RUB (Ruhr-Universität Bochum). המאמר פורסם בעמוד השער של כתב העת Journal of Materials Chemistry A.

פרופ’ נעם אדיר

פיתוחם של מקורות אנרגיה מתחדשים ובני-קיימא הואץ בעשורים האחרונים, וזאת בעקבות ההכרה בנזקי השימוש בדלקים מחצביים כגון פחם ונפט. עם זאת, בדומה להפקת דלקים מחצביים, גם הפקה של דלקים מתחדשים כגון מימן מצריכה השקעה אנרגטית גדולה, ולכן השאיפה היא להשתמש לשם כך במקור האנרגיה הבלתי נדלה – השמש.

מאחר שבמהלך האבולוציה התפתח בחיידקים, באצות ובצמחים שונים מנגנון יעיל מאוד להפקת אנרגיה מקרינת שמש – תהליך הפוטוסינתזה – אחת המגמות בהפקת אנרגיות מתחדשות כיום היא פיתוח תאים ביו-סולריים המבוססים על תהליך זה. תאים אלה משלבים בתוכם מערכות טבעיות להמרת אנרגיה, ואחת מהן היא  PSII- אשכול-חלבונים גדול המפרק מים לאלקטרונים, פרוטונים וחמצן (כתוצר לוואי) באמצעות אנרגיית השמש.

חסרונה של מערכת PSII בכך שהיא יודעת לקלוט ולנצל תחום (ספקטרום) צר של קרינת השמש, ולכן אינה מנצלת את מלוא הפוטנציאל של משאב זה – למשל האור הירוק, המהווה כמחצית מספקטרום האור הנראה. כדי להתגבר על כך צימדו חוקרי הטכניון את PSII לפיקוביליזום – קומפלקס חלבונים ייחודי הנמצא בציאנובקטריה, שהיא אורגניזם ימי נפוץ המייצר את האנרגיה שלו באמצעות פוטוסינתזה. הפיקוביליזום התפתח באופן המאפשר לציאנובקטריה לקצור גם את הקרינה שמערכת PSII אינה יודעת לקלוט, ולהעביר אותה ל- PSIIלהמשך שימוש. שילוב זה של שתי המערכות לא שוחזר עד כה במערכות מלאכותיות.

ד”ר דביר הריס

כעת, לראשונה, צימדו חוקרי הטכניון ו-RUB את ה-PSII והפיקוביליזום במערכת הנדסית אחת המהווה פוטואנודה – אלקטרודה רגישה לאור. יתר על כן, הם הדגימו בניסויים את יעילותה של הפוטואנודה בהמרת קרינת השמש, לאורך כל הספקטרום של האור הנראה, לאנרגיה חשמלית. לדברי פרופ’ אדיר, “אנחנו מתכוונים להמשיך בפיתוח המערכת כדי להאריך את תוחלת החיים של מרכיביה הביולוגיים ואת ניצולת האנרגיה. להערכתנו, פוטואנודות PSII-פיקוביליזום עשויות להפוך לאמצעי מקובל להפקת אנרגיה ולהאיץ את השימוש באנרגיה מתחדשת.”

המחקר מומן על ידי הקרן לשיתוף פעולה ישראל-גרמניה בנושא ננו-אופטו-ביואלקטרוניקה במסגרת הקרן הלאומית למדע בישראל והקרן הגרמנית למדע (DFG).

ד”ר דביר הריס הוא בוגר תכנית הלימודים באנרגיה ע”ש גרנד במסלול דוקטורט.

למאמר ב  – Journal of Materials Chemistry A לחצו כאן