חשמל מן הים

פרופ’ נעם אדיר

החוקרים מציגים בכתב העת Biosensors and Bioelectronics שיטה חדשה לייצור חשמל ישירות מאצות ים. השיטה פותחה בשיתוף פעולה בין תוכנית האנרגיה והפקולטות לכימיה, לביולוגיה ולהנדסת ביוטכנולוגיה ומזון בטכניון וחברת חקר ימים ואגמים לישראל (חיא”ל).

השימוש המסורתי בדלקי מאובנים כרוך בזיהום סביבתי רב ותורם לתופעות אקלימיות חריגות שאנו עדים להם ואשר מדאיגים את העולם כולו. יתר על כן – גם תהליך ייצורם של דלקים אלה מזיק לסביבה. זה הרקע לפיתוחן של טכנולוגיות חדשות לייצור אנרגיה מתחדשת וידידותית לסביבה.

אחת הגישות המבטיחות, שמעסיקה קבוצות מחקר רבות כבר עשרות שנים, היא שימוש בתאי דלק מיקרוביאליים. תאים אלה מתבססים על יכולתם של חיידקים מסוימים לפלוט אלקטרונים; הצבתן של מושבות חיידקים כאלה בקרבת אלקטרודה בתא מאפשרת לייצר חשמל. לשיטה זו שני חסרונות בולטים: העלות הכלכלית והסכנה הבריאותית שכרוכות בגידול כמויות גדולות של חיידקים בתוך התאים האלקטרוכימיים.

בעקבות זאת נולדה טכנולוגיה אחרת: תאים ביו-פוטו אלקטרוכימיים. גם כאן, בדומה לתאי הדלק המיקרוביאליים, המקור ליצירת החשמל בשיטה זו הוא חיידקים, אלא שהפעם מדובר בציאנובקטריה (הידועות גם כאצות כחוליות): חיידקים המסוגלים לבצע פוטוסינתזה כמו צמחים. עם זאת, לציאנובקטריה מגבלות משלהן: ראשית, בניגוד לתאים מיקרוביאליים, ציאנובקטריה אינן מייצרות אלקטרונים בחשיכה, שכן תהליך הפוטוסינתזה מתרחש רק בנוכחות אור. שנית, כדי לייצר כמות חשמל משמעותית, המתחרה בטכנולוגיות כגון תאים סולריים או תאי דלק מבוססי מימן, נדרשת כמות עצומה של ציאנובקטריה, כלומר שטחים גדולים ויקרים.

יניב שלוסברג

במחקר הנוכחי מציגה קבוצת חוקרים משלוש פקולטות בטכניון ומחיא”ל ייצור חשמל ממקור ימי אחר: אצות ים (seaweeds). את המחקר הובילו פרופ’ נעם אדיר והדוקטורנט יניב שלוסברג מהפקולטה לכימיה ע”ש שוליך ותוכנית האנרגיה ע”ש גרנד בטכניון, בשיתוף פעולה עם עמיתיהם ד”ר טונדה טות מהפקולטה לכימיה; פרופ’ גדי שוסטר, ד”ר דוד מאירי, המשתלמים נמרוד קרופניק ובנימין איישנבאום מהפקולטה לביולוגיה; ד”ר עומר יחזקאלי והמשתלם מתן מאירוביץ’ מהפקולטה להנדסת ביוטכנולוגיה ומזון; וד”ר אלוארו ישראל מחיא”ל בחיפה.

הפיתוח הראשוני של השיטה הניב זרם חשמל גדול פי אלף ויותר מזה שהופק מציאנובקטריה – רמה המתקרבת לזרמים המיוצרים בתאים סולריים. לדברי פרופ’ אדיר, היעילות הגבוהה נובעת משני גורמים עיקריים: קצב הפוטוסינתזה המהיר של אצות הים, ובראשן האצה הים תיכונית הירוקה הנקראת Ulva, והמליחות הגבוהה של מי-הים המתפקדת ביעילות כאלקטרוליט – הנוזל המוליך בתא האלקטרוכימי. מלבד זאת, בניגוד לתאים אלקטרוכימיים המבוססים על ציאנובקטריה, אצות הים מסוגלות לייצר חשמל ביום וגם בלילה; בשעות האור מתקבלת האנרגיה בעיקר מתהליך הפוטוסינתזה, ואילו בשעות החושך היא מגיעה ממולקולות שהאצה מפרישה שמקורם בתהליך הנשימה. מולקולות אלה, הקרויות “מתווכות אלקטרונים”, מוסרות אלקטרונים לאלקטרודה של התא הביו-אלקטרוכימי ליצירת חשמל.

פרופ’ גדי שוסטר

לשימוש באצות ים לייצור חשמל יתרונות רבים. הן גדלות במהירות ואפשר לגדל אותן בים או במתקנים ביבשה, כמעט ללא צורך במים מתוקים ובאדמות חקלאיות.

שיטות לייצור אנרגיה נחלקות לשתי קטגוריות כלליות: המזהמות ביותר הן טכנולוגיות Carbon positive, הכרוכות בתהליכי שריפה ופליטת פחמן, פוגעות באטמוספרה ותורמות להתחממות הגלובלית; וטכנולוגיות Carbon neutral, למשל תאים סולריים, שפעילותן אינה כרוכה בפליטת פחמן (אם כי הייצור והשינוע שלהן אכן מזהמים).

השיטה החדשה שמציגים חוקרי הטכניון מייסדת למעשה קטגוריה חדשה: Carbon negative. לא זו בלבד שהיא אינה כרוכה בפליטת פחמן; בתהליך הפוטוסינתזה נספג פחמן ונפלט חמצן – תהליך התורם לאטמוספרה. מלבד זאת, השימוש באצות לייצור חשמל בדרך זו אינו פוגע בקצב גידול האצה ולכן מאפשר שימוש מקביל בה לצרכים אחרים בתעשיות המזון, הרפואה והקוסמטיקה.

ד”ר אלוארו ישראל

“מרתק לגלות כיצד צץ רעיון מדעי,” אומר הדוקטורנט יניב שלוסברג, שהגה את הקונספט המקורי. “הפילוסוף המפורסם ארכימדס הגה את מה שנקרא כיום ‘חוק ארכימדס’ בבית המרחץ, ואצלי זה קרה כששחיתי בים, בתקופה שבה חקרתי את האפשרות של ייצור חשמל בשימוש בציאנובקטריה. על אחד הסלעים ראיתי פתאום אצה שהזכירה לי חוט חשמל, אז אמרתי לעצמי – הרי גם האצה מבצעת פוטוסינתזה, אולי נוכל לייצר ממנה חשמל. הפיתוח שנולד מאותו רעיון, בעבודה משותפת של חוקרים מקבוצות שונות בטכניון ומחיא”ל, הוביל כעת למאמר מדעי ואני מאמין שהוא צפוי לחולל מהפכה טכנולוגית משמעותית בשוק האנרגיה.”

חוקרי הטכניון בנו אבטיפוס ראשוני של תא אלקטרוכימי המציג את הטכנולוגיה האמורה. לדברי פרופ’ אדיר, “באמצעות האבטיפוס הדגמנו הפקת כמויות חשמל משמעותיות ישירות מאצות ים. אנו מאמינים כי שכלולים נוספים של השיטה יגבירו עוד את ייצור הזרם החשמלי ויסללו לראשונה את הדרך לפיתוח פתרונות עתידיים לייצור אנרגיה ירוקה בתאים ביו-אלקטרוכימיים.”

למאמר בכתב העת  Biosensors and Bioelectronics   לחצו כאן