אנרגיה מן השדה

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

תיאור סכמטי של התא הביו-פוטו-אלקטרוכימי

חוקרים בטכניון פיתחו תא חדשני המייצר חשמל ומימן ממים באמצעות אור השמש – כך מדווח כתב העת Nature Communications. 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 והובילה 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).

תהליך הפוטוסינתיזה מתרחש באופן טבעי בממברנות צמחיות. כדי לרתום אותו לטובת הפקת זרם חשמלי הוסיפו החוקרים לתמיסה יוני ברזל. יוני הברזל מתווכים את מעבר האלקטרונים מהממברנות למעגל החשמלי ומאפשרים יצירת זרם חשמלי בתא.

לחלופין 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 שבניגוד לשריפת דלק פחמימני, הפולטת 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 אנרגיית 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 סינתטי 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 בטכניון, כלומר משלושה תחומי ידע: ביולוגיה, כימיה והנדסת חומרים. השילוב בין הטבעי (עלים) למלאכותי (תא פוטו-וולטאי ורכיבים אלקטרוניים), והצורך לגרום לרכיבים הללו לתקשר ביניהם, הם אתגריים הנדסיים מורכבים שדרשו את שילוב הכוחות בינינו.”

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 תכנית מרכזי המצוינות של הוועדה לתכנון ותקצוב והקרן הלאומית למדע (מענק מס’ 152/11), מענק מיוחד מהקרן הדו-לאומית למדע ישראל-ארה”ב (BSF), ושיתוף הפעולה הגרמני-ישראלי בפרויקטים (DIP).

למאמר המלא לחצו כאן

פרופ’ אבנר רוטשילד

פרופ’ נעם אדיר

פרופ’ גדי שוסטר

גדיאל סאפר (משמאל) ודן קלמן במעבדה בטכניון