העלה המלאכותי שמייצר דלק נקי וזול

השינויים האקלימיים שמתרחשים כיום בעולם, ואלו הצפויים בעתיד, פוגעים ויפגעו קשות ברווחת בני האדם ובמערכות הטבעיות. הנתונים מצביעים כבר שנים רבות על כך שהסיבה העיקרית לשינויים הללו היא פליטות יתר של גזי חממה, הנובעת בעיקר (אך לא רק) עקב שריפת דלקי מאובנים על ידי האדם.

דלקי המאובנים כוללים שלושה חומרים עיקריים: פחם, נפט וגז טבעי, והם נוצרו משרידי צמחים ובעלי-חיים שחיו על פני האדמה או בים לפני מיליוני שנים. את הזיהום משריפת דלקי המאובנים אפשר לצמצם בשתי דרכים: הראשונה היא ניצול מקורות של אנרגיה חלופית, כמו אנרגיית השמש, המים והרוח, שהם מקורות מתחדשים שהפקדתם מייצרת זיהום בכמות פחותה בהרבה, ואילו השנייה היא ייעול הניצולת של מקורות האנרגיה העומדים לרשותנו כיום - וזה בדיוק מה שעשתה לאחרונה קבוצת חוקרים בריטים.

לאחרונה, חוקרים מאוניברסיטת קיימברידג' פיתחו "עלה מלאכותי" להפקת גז סינתזה (Syngas, "סינגז"), תערובת גזים של מימן ופחמן חד-חמצני. ייתכן שהמונח גז סינתזה נשמע לא מוכר, אבל בכל יום אנו צורכים מוצרים שנוצרו באמצעותו, כמו דלקים, תרופות, מוצרי פלסטיק ודשנים. התהליך שבו מופק בדרך כלל גז מסוג זה נקרא גזיפיקציה: תהליך שבו מופעלים על חומר מוצק לחצים גבוהים בטמפרטורות גבוהות, לקבלת גז שמשמש להפקת אנרגיה. התהליך יכול להיות מבוצע על דלקי מאובנים כמו פחם ונפט, והתוצר יכול לשמש כמקור לדלק לכלי תחבורה ולהפעלת טורבינות גז להפקת חשמל.

"העלה המלאכותי" שפותח לאחרונה, לעומת זאת, משתמש רק באור שמש, פחמן דו-חמצני ומים, ובסופו של דבר יכול לשמש לייצור דלק נוזלי בר-קיימא. על פי החוקרים, ההשראה לפיתוח ה"עלה" הוא תהליך הפוטוסינתזה, תהליך טבעי שבאמצעותו הצמחים משתמשים באנרגיה מאור השמש כדי להפוך את הפחמן הדו-חמצני לפחמימות, תוך פליטת חמצן לאטמוספירה.

המכשיר עובד כך: על גבי העלה נמצאים שני קולטי אור וזרז עשוי קובלט (יסוד מתכתי נפוץ בטבע), המדמים מולקולות שנמצאות על גבי עלים אמיתיים שתפקידן לקלוט את אור השמש. כאשר המכשיר שקוע בתוך מים, אחד מקולטני האור משתמש בזרז הקובלט על מנת לייצר חמצן ומימן, והקולטן השני מייצר תגובה כימית הממירה את הפחמן הדו-חמצני והמים לפחמן חד-חמצני ומימן, וכך נוצרת תערובת הגז הסינטתי. ה"עלה המלאכותי" פועל באופן מקיים הודות לקולטני האור המשוכללים שמורכבים מהמינרל פרובסקייט perovskite)) ומהתחמוצת ביסמוט ונדיום (BiO4V) - חומרים יעילים מאוד בבליעת אור השמש, המשמשים כתא סולארי המפיק זרם חשמלי גבוה שמצליח להניע באופן יעיל מאוד את תגובת הפירוק של פחמן דו-חמצני לפחמן חד-חמצני.

ל"עלה" יתרונות נוספים: אף שהוא מופעל על ידי אור השמש, הוא עדיין עובד ביעילות באור נמוך המדמה ימים מעוננים וגשומים, ולכן השימוש בטכנולוגיה אינו מוגבל רק למדינות חמות ושטופות שמש או לעונות מסוימות. כמו כן, בניגוד לתהליכים התעשייתיים הקיימים כיום לייצור גז סינתזה, כחלק מהתהליך ה"עלה" אינו משחרר לאטמוספירה כמויות נוספות של פחמן דו-חמצני. היכולת לייצר גז בר-קיימא הינה צעד קריטי בסגירת מחזור הפחמן העולמי ופיתוח תעשיית כימיקלים ודלקים מקיימת.

ד"ר דניאל מדר, חוקר ויועץ מדעי מ-SP-Interface, מסביר כי "המחקר אכן מציג תוצר שפעולתו היא בת-קיימא, ומאפשרת הפקת דלקים נוזליים וגזיים מבלי לשנות את מאזן הפחמן באטמוספירה וללא פליטה משמעותית של גזי חממה. נוסף על אלו, גם המתקן שנוצר עשוי מרכיבים זולים יחסית ונפוצים. אולם חשוב לציין שהמתקן מותאם כרגע לתנאי המחקר במעבדה, ואינו ישים כיום לשימוש תעשייתי: על מנת להפיק כמות של גז סינתזה מהמתקן שממנה ניתן יהיה להפיק שני ליטרים של דלק נוזלי (שמאפשרים כ-24-30 ק"מ נסיעה ברכב משפחתי), צריך להשתמש ב'עלה מלאכותי' בגודל של כ-100 מ"ר למשך יום שלם. לצורך השוואה, ייצור חשמל יומי על ידי פאנל סולארי בהיקף שטח דומה (100 מ"ר) יכול לספק את כל דרישות האנרגיה היומיות של בית מגורים משפחתי, לטעון את הרכב החשמלי המשפחתי ואולי אף למכור חשמל עודף לרשת החשמל".

על פי החוקרים, היות שכבר כיום משמש סינגז כאבן בניין לייצור דלקים נוזליים, הרי המטרה הסופית היא לקצר את תהליך הייצור של דלק נוזלי באמצעות "העלה המלאכותי". כיום, על מנת לייצר דלק נוזלי יש לייצר קודם גז סינתזה ולאחר מכן להמירו לדלק נוזלי. באמצעות התהליך שמתרחש ב"עלה", ניתן יהיה לייצר ישירות דלק נוזלי מפחמן דו-חמצני ומים. בנוסף, אף על פי שיש התקדמות רבה בייצור חשמל ממקורות אנרגיה מתחדשים, פיתוח גז סינתזה חיוני מאוד כיוון שכיום חשמל יכול לספק רק כ-25% מכלל דרישת האנרגיה העולמית. דלק נוזלי מסוג זה יוכל לשמש כלי שיט ותעופה באופן מקיים יחסית, לפחות בכל הנוגע לטביעת הרגל הפחמנית שלו (שכן תהליך שריפתו ייצר עדיין זיהום אוויר מסוים).

לדבריו של מדר, "יעילותו של המכשיר צריכה להשתפר בהיקף גבוה על מנת שיוכל להפוך למסחרי ויעיל יותר מהשימוש בפאנלים סולאריים או בחשמל המופק מדלקי מאובנים. כיום, טכנולוגיית הרכבים החשמליים בשלה הרבה יותר לעומת 'העלה המלאכותי'. רכבים חשמליים משפחתיים בעלי טווח בינוני (250 ק"מ) כבר נמצאים בשימוש מסחרי. זהו כיום הפתרון המוביל לצמצום זיהום האוויר בערים ובדרכים, ולצמצום פליטות גזי חממה מכלי רכב (בהנחה שייצור החשמל הוא ממקורות שפולטים כמויות מזעריות של גזי חממה). חשוב לזכור שגם אם רכב משתמש בדלק נוזלי שמיוצר מסינגז מעלה מלאכותי, הוא עדיין צפוי לפלוט זיהום אוויר בסדר גודל דומה לרכב המונע בדלקי מאובנים. לכן בעולם יש מגמת מעבר לשימוש ברכבים חשמליים אשר פליטות זיהום האוויר שלהם מתרחשות בתחנות כוח ולא במרכזי הערים (ובשאיפה, ללא פליטות כלל בשל שימוש במקורות אנרגיה מתחדשים או באנרגיה גרעינית).

"גם מדינת ישראל מתקדמת לרעיון הזה מבחינה טכנולוגית, ושינויים צפויים ב-10-5 השנים הקרובות, אך מבחינת מדיניות אנחנו לא נמצאים בחזית התחום בעולם", הוא ממשיך ומסביר. "ישראל מקדמת יצירת תשתיות טעינה עירוניות וארציות לרכבים חשמליים - שזה מעולה. אבל, ישראל כבלה את עצמה בעשור הקרוב לפחות להסתמכות על גז טבעי כמקור האנרגיה העיקרי. לכן, לא צפויה ירידה משמעותית בפליטות גזי החממה בסקטור זה (שימוש בגז טבעי אמנם פולט פחות פחמן דו-חמצני משריפת פחם, אבל הוא פולט המון מתאן שהוא גז חממה חזק הרבה יותר מפחמן דו-חמצני), "מכיוון שלא סביר כי טכנולוגיית 'העלה המלאכותי' תיכנס לשימוש מסחרי ב-10-5 השנים הקרובות, לא סביר שהיא תהייה רלוונטית בקרוב לענף הרכב. אולם, כיום עדיין חסרים מקורות אנרגיה בהיקפי ייצור מסחריים להנעת מטוסים וכלי שיט שפולטים מעט גזי חממה. לכן, סביר יותר ש'עלים מלאכותיים' כאלו יהיו רלוונטיים ליצירת דלקים לכלי שייט ולמטוסים בעתיד".

הכתבה הוכנה על ידי זווית - סוכנות ידיעות למדע ולסביבה