אנרגיה מן השדה

פיתוח בין-תחומי בטכניון: תא המייצר חשמל ומימן מעלי תרד באמצעות אור השמש

חוקרים בטכניון פיתחו תא חדשני המייצר חשמל ומימן ממים באמצעות אור השמש. מדובר בהתקן ביו-פוטו-אלקטרוכימי המבוסס על ממברנות מעלי תרד. חומר הגלם של ההתקן הוא מים ותוצריו הם זרם חשמלי, מימן וחמצן.
התא שפיתחו החוקרים מבוסס על מערכת הפוטוסינתזה בצמחים, שהתפתחה והשתכללה במשך מיליוני שנים על ידי מנגנוני האבולוציה והביאה להיווצרות החיים בכדור הארץ. מערכת זו מפרקת מולקולות של מים לחמצן ופרוטונים המשמשים ליצירת מולקולות ATP, שהן למעשה נשאי האנרגיה הבסיסיים בעולם החי והצומח (ה"דלק" של התא). על מנת לנצל את תהליך הפוטוסינתיזה המתרחש באופן טבעי בממברנות צמחיות לצורך הפקת זרם חשמלי הוסיפו החוקרים יונים של ברזל לתמיסה. יוני הברזל מתווכים את מעבר האלקטרונים מהממברנות למעגל החשמלי ומאפשרים יצירת זרם חשמלי בתא. לחילופין, ניתן לתעל את הזרם החשמלי ליצירת גז מימן באמצעות תוספת מתח חשמלי מתא פוטו-וולטאי אחורי. כך ניתן להמיר את האנרגיה של קרינת השמש לאנרגיה כימית האגורה בגז המימן שנוצר בתא. אנרגיה זו ניתן להמיר בשעת הצורך לחום וחשמל באמצעות שריפת המימן, בדומה לשריפת דלק פחמימני. אלא שלהבדיל משריפת דלק פחמימני שפולטת לאטמוספירה גזי חממה (פחמן דו-חמצני) ומזהמת את הסביבה, תוצר השריפה של מימן הוא מים נקיים. כך שבסיכומו של דבר מדובר במחזור סגור המתחיל במים ונגמר במים, ומאפשר המרה ואגירה של אנרגית השמש בגז מימן שיכול להוות תחליף נקי ובר-קיימא לדלק פחמימני. השילוב הייחודי בין תא פוטו-וולטאי מעשה ידי אדם לממברנות צמחיות, הקולטות את אור השמש וממירות אותו ביעילות גבוהה לזרימת אלקטרונים, סולל את הדרך לפיתוח טכנולוגיות חדשות ליצירת דלק סינטטי נקי וירוק ממקורות מתחדשים: מים ואנרגיה סולרית.
המחקר נערך על ידי הדוקטורנטים רועי פנחסי, דן קלמן וגדיאל סאפר בהנחיית פרופ' נעם אדיר מהפקולטה לכימיה ע"ש שוליך, פרופ' גדי שוסטר מהפקולטה לביולוגיה ופרופ' אבנר רוטשילד מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים. לדברי פרופ' רוטשילד, "ייחודו של המחקר בכך שהוא משלב מומחים מובילים משלוש פקולטות שונות, כלומר משלושה תחומי ידע: ביולוגיה, כימיה והנדסת חומרים. השילוב בין הטבעי (עלים) למלאכותי (תא פוטו-וולטאי ורכיבים אלקטרוניים) היה אתגר הנדסי מורכב ומרתק שדרש שילוב כוחות בינינו על מנת למצוא את הדרך לגרום לרכיבים הללו לתקשר ביניהם."
המחקר נערך בתכנית הבין-יחידתית לאנרגיה ע"ש ננסי וסטיבן גרנד ובוצע במעבדת המימן בטכניון שהוקמה בחסות קרן אדליס ותכנית האנרגיה. הוא מומן על ידי המרכז הישראלי למצוינות במחקר בדלקים סולריים (I-CORE), מענק מיוחד מהקרן הדו-לאומית למדע ישראל-ארה"ב (BSF), ושיתוף הפעולה הגרמני-ישראלי בפרויקטים (DIP).
המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Nature Communications. קישור למאמר:gh
http://dx.doi.org/10.1038/NCOMMS12552