ידענים: אחסון ושינוע אנרגיה | אנרגיית השמש

מאת 1 בספטמבר 2015 13 תגובות

מערכת סולארית חדשה לייצור דלק, או עלה מלאכותי, מייצרת באופן בטוח דלק מתוך אור השמש ומים תוך קבלת יעילות ויציבות מהגבוהים בעולם.

Credit: Image provided courtesy of Joint Center for Artificial Photosynthesis; artwork by Darius Siwek. - See more at caltech site

Credit: Image provided courtesy of Joint Center for Artificial Photosynthesis; artwork by Darius Siwek. – See more at caltech site

[תרגום מאת ד"ר נחמני משה]

ייצור ואחסון של אנרגיה מתחדשת, כגון אנרגיה סולארית או אנרגיה מהרוח, מהווים מחסום עיקרי להשגת כלכלה המבוססת על אנרגיה נקייה. לחוקרים מהמרכז המשותף לפוטוסינתזה מלאכותית (JCAP) מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech) יש יעד עיקרי אחד: פיתוח שיטה חסכונית לייצור דלק בעזרת השימוש באור שמש, מים ופחמן דו-חמצני בלבד, שיטה המחקה את התהליך הטבעי של פוטוסינתזה המתרחש בצמחים והמאפשר אחסון אנרגיה כימית לשימוש לפי דרישה. במהלך חמש השנים האחרונות חוקרים מהמרכז המשותף התקדמו באופן משמעותי להשגת יעד זה, וכעת הם מדווחים על פיתוחה של המערכת השלמה, היעילה, הבטוחה והמשולבת הראשונה המבוססת על אנרגיה סולארית לביקוע מים ליצירת דלק מימני.

המערכת הסולארית החדשה לייצור דלק, או העלה המלאכותי, מתוארת בגרסה המקוונת של כתב-העת המדעי Energy and Environmental Science. המערכת החדישה מורכבת משלושה רכיבים עיקריים: שתי אלקטרודות, אחת פוטו-קתודה ושנייה פוטו-אנודה, וקרומית (ממברנה). הפוטו-אנודה משתמשת בקרני השמש לשם החמצון של מולקולות מים, תוך יצירת פרוטונים ואלקטרונים, וכן את הגז חמצן. הפוטו-קתודה מחברת מחדש את הפרוטונים ואת האלקטרונים ליצירת גז מימן. מרכיב המפתח במערכת החדשה הוא קרומית הפלסטיק, השומרת על הגזים חמצן ומימן מופרדים זה מזה. אם שני הגזים הללו מתערבבים ונחשפים בטעות למקור הצתה, עלול להתרחש פיצוץ; הקרומית מאפשרת לגז המימן להצטבר באופן נפרד תחת לחץ ולהזרים אותו באופן בטוח לתוך צנרת.

מוליכים למחצה כדוגמת סיליקון או גאליום ארסניד קולטים קרני שמש באופן יעיל ולפיכך הם נפוצים בלוחות סולאריים. יחד עם זאת, חומרים אלו מתחמצנים (או מחלידים) במגע עם מים כאשר הם נמצאים על פני השטח החיצוני של הלוח הסולארי, ולכן לא ניתן להשתמש בהם באופן ישיר לייצור חשמל. התקדמות ממשית התרחשה כאשר החוקרים התבססו על תגלית קודמת שהדגימה כי הוספה של שכבה ננומטרית של דו-תחמוצת הטיטאניום (TiO2) – חומר הנמצא בצבע לבן, במשחות שיניים ובקרם שיזוף – על גבי האלקטרודה תוכל למנוע מהן מלהחליד ועדיין לאפשר את מעבר האלקטרונים דרכן. התקדמות מפתח נוספת טמונה בשימוש של זרזים פעילים זולים לייצור הדלק. הפוטו-אנודה נדרשת לזרז המאיץ את תגובת הביקוע החיונית של מולקולת המים.

מתכות נדירות ויקרות, כגון פלטינה, עשויות לשמש כזרזים יעילים, אולם במסגרת מחקר זה המדענים גילו כי ניתן ליצור זרז פעיל הרבה יותר זול באמצעות הוספת שכבה ננומטרית דקיקה (בעובי של 2 ננומטרים) של ניקל לפני השטח של דו-תחמוצת הטיטאניום. זרז זה הוא אחד מהזרזים היעילים ביותר לביצוע תגובת הביקוע של מולקולות מים. גם בפוטו-קתודה נמצא זרז פעיל ביותר וזול המורכב מניקל-מוליבדן, כך שמתקבל חומר משולב ושלם המתפקד כמערכת משולבת לביקוע מים המבוססת על אנרגיה סולארית.

מערכת האב-טיפוס היא בגודל של סנטימטר מרובע והיא מסוגלת להמיר שיעור של 10 אחוזים מקרני השמש לאנרגיה המאוחסנת כדלק כימי, והיא יכולה לפעול ברציפות במשך יותר מארבעים שעות. "המערכת החדשה שלנו משיגה את כל שיאי הבטיחות, הביצועים והיציבות עבור טכנולוגיות של עלים מלאכותיים בפקטורים של 10-5 או אפילו יותר", מציין החוקר הראשי.

תקציר המאמר

הידיעה על המחקר

עוד בנושא באתר הידען:

13 תגובות ל “עלה מלאכותי לייצור יעיל של חשמל”

  1. ליאור

    תשובה לשאלות המקוריות של “שאלת תם” יכולה להחזיר את הדיון למסלול

  2. איתן

    ביתן
    האם תוכל להגיד לי מה נושא הכתבה?
    האם תוכל להגיד לי כיצד נושא הכתבה קשור לתגובותיו של המצונזר?
    האם תוכל להגיד לי כיצד לקרוא למגיב "פרשן גרוע שרק מביע דעות" רלוונטי לכתבה?

    אם כל מה שהמצונזר הפיק מהכתבה זו המסקנה שהפיתוח "יכול בטל את העושר המוסלמי ולבטל את הטרור הרצחני שלהם", כנראה שההישג המדעי לא ממש מעניין אותו.
    הכנסת פוליטיקה והשמצות, מעבר להיותה ילדותית, אינה רלוונטית בשום צורה ואופן לכתבה ואני מנחש שמטרתו היחידה בתגובה זו היא לשלהב רוחות ולהיות במרכז דיון רגשי ולא רלוונטי. זו ההגדרה של טרול.
    המגיב היחיד פה שהגיב בצורה עיניינית לכתבה: שאלת תם, הוא גם היחיד שלא נענה (בגלל תגובות מטרילות).

    אז "שאלת תם", קבל את התנצלותי על שהאכלתי טרולים במקום לענות לך.
    לשאלותיך:
    1. אני לא אתעמק בתרמודינמיקה אך, עלה צמח אמיתי דורש לפחות 8 פוטוני אור באורך גל מתאים, על מנת לשפעל מולקולת CO2 אחת. היחס האנרגטי בין הפיכת מול CO2 למול גלוקוז לבין האנרגיה בכמות הפוטונים ההנדרשת הוא 1:3. הכוונה היא שבתנאים אופטימליים, ניצולת אנרגית השמש בעלה היא 33%. מכיוון שאור השמש מכיל כמה אורכי גל, וגם אותם ניתן לנצל לפוטוסינטזה, היעילות האנרגתית יותר קרובה ל 11%
    מחוץ למעבדה, היכן שיש תמיד מחסור בחומרי גלם/מים/אור/CO2/טמפ' מתאימה, הניצולת היא נמוכה אף יותר וקרובה יותר לאחוזים בודדים.
    2. החדשות ששומעים הם לרוב על הצלחות תיאורטיות ברמת proof of concept. מכאן ועד הפיכת הפיתוחים למעשיים יש עוד דרך ארוכה.
    אני מנחש שהחסם העיקרי הוא העלות הגבוהה של ייצור חומרים מורכבים בעלי יכולת ניצול אנרגיית שמש גבוהה, היכולת לייצר אותם בסדר גודל מסחרי וחיי מדף.
    ביקור בחוות בערבה יראה לך שכבר עכשיו, משתלמם, במקרים מסויימים, לרכוש פאנלים סולריים על מנת להקל על עומס צריכת החשמל.

  3. ביתן

    איתן
    "טרול הוא מי שמגיב בתגובה לא עניינית שלא קשורה בשום אופן לנושא הכתבה במטרה לשלהב רוחות ולייצר דיון מתלהם שהוא במרכזו."

    זאת אומרת שאתה קורא לעצמך טרול….
    המצונזר הביע את דעתו (המקובלת על ידי אחרים בכתבה הזו) בקצרה – ואתה התנפלת עליו במטרה לכרסם בו.
    אתה במקום להתייחס לכתבה – שוטח את אמונותיך הפוליטיות ושינאותיך. וכשהוא מגיב לך לעניין אתה אומר שהוא לא מתייחס לכתבה.
    אתה מעמיד את עצמך במרכז הכתבה ודורש מאחרים לא לעשות כך… אתה טרול מוזר והזוי.

  4. איתן

    טרול הוא מי שמגיב בתגובה לא עניינית שלא קשורה בשום אופן לנושא הכתבה במטרה לשלהב רוחות ולייצר דיון מתלהם שהוא במרכזו.
    אם מישהו בוחר בכתבה שעוסקת בפיתוח בניצולת אנרגיה סולארית על מנת לשטוח את אמונותיו הפוליטיות ושינאותיו , כנראה שהוא טרול.
    מה שבטוח, אין לו עניין אמיתי בנושא הכתבה.

  5. המצונזר

    "מצד אחר, נראה שדע"ש דחפו את ארה"ב לכרות ברית אינטרסים עם איראן שלא מחזקת את האינטרסים של ישראל"- ארה"ב אחראית לאביב הערבי והיא דחפה גם לעליית האחים המוסלמים במצרים (שמזל גדול הופלו).
    האחים המוסלמים תומכים באיראן,כי הם תומכים באחדות איסלאמית-לכן הם נקראים "אחים".
    לכן גם טורקיה תומכת באיראן. וארה"ב התחילה להתקרב לאיראן ב-2010,עוד בימי אחמדינג'אד. השאלה למה? כי אובמה עצמו מן האחים המוסלמים ויועציו גם (במוצהר).
    אתה לא יודע היסטוריה ופרשן גרוע. אתה רק מביע דעות. אז מי כאן הטרול?

  6. איתן

    בוקר טוב עופר
    אני חושב שהאירגון המתכנה "המדינה האיסלמית של עיראק וסוריה" לא היה קם לולא מלחמת האזרחים בסוריה.
    אני חושב שהעובדה שהוא שואב את כוחו במיוחד מאזורים שהושפעו מן "האביב הערבי" אומר דרשני.
    אני חושב שבמין מעגל קסמים מורבידי, דע"ש אחראי לרבבות פליטים הנוהרים לאירופה ובו זמנית לנהירה המונית של מהגרים אירופאים (לשעבר) לחבור לשורותיו דרך טורקיה.
    אין לי מושג אם כל השינויים הגיאו פוליטים האילו טובים או לא אבל לא נראה לי שיש ויכוח לגבי אמיתותן.
    מצד אחד, הקזת דם מתמשכת של אוייבנו מחלישה אותם
    מצד אחר, נראה שדע"ש דחפו את ארה"ב לכרות ברית אינטרסים עם איראן שלא מחזקת את האינטרסים של ישראל
    בנוסף, שטף הפליטים משנה את פני האיחוד האירופאי (לדעתי לא לטובה).
    אין לי ידע ההיסטורי/מדיני מספק בשביל לחוות דעה נחשבת בנושאים הללו. דעתי האישית היא שלטווח ארוך הם לא יהיו לטובתנו.
    וכל זה עדיין לא קשור לנושא הכתבה..

  7. עופר

    איתן, "…זה לא משנה שהתמוטטות מדינות ערביות לא חשובות הביאה את דע״ש…"
    אמנם זה ממש לא רלוונטי לאתר ולתכנו, אבל הנחת המוצא הזו (שבמקרה או לא במקרה העלת כאן כעובדה מוגמרת וכאמת שאין אחריה עוררין) אינה מקובלת עלי ועל רבים וטובים אחרים. אם כבר העלת זאת אז כדאי שהדברים יאמרו.

  8. איתן

    תם
    זה לא משנה אם אתה מסכים.
    זה לא משנה אם ארה״ב רוסיה וסין מייצרות יותר נפט מכל מדינות המפרץ ויפסידו יותר מפיתוח אנרגיות ירוקות.
    זה לא משנה שהתמוטטות מדינות ערביות לא חשובות הביאה את דע״ש וערעור היציבות באירופה על ידי גלי פליטים שבקרוב יהיו אזרחים וישפיעו על מדיניות אירופה לאנטי ישראליות אף יותר משהיא עכשיו ולכן יש להניח שערעור מדינות חשובות יותר יביא לשינויים גדולים יותר ואף פחות צפויים.

    הדבר היחיד שמשנה הוא שהכתבה עוסקת בפיתוח מדעי ומי שמנסה לאנוס אותה להסכים עם אמונותיו הפוליטיות או עם שינאתו הפרטית, הוא טרול ומקומו בטור התגובות של ynet.

  9. שאלת תם

    סליחה אבל אני דווקא מסכים עם המצונזר, בזמן שהעולם המערבי מתפתח ומתקדם בזכות חשיבה יצירתית ובזכות ידע ומדע ופיתוח טכנולוגיות חדישות, המדינות הערביות ומדינות האיסלאם (שבראשון איראן סעודיה ומדינות המפרץ) שואבות את עיקר כוחן ותמיכתם בטרור מהנפט הרב שברשותן, כאשר העולם יעבור לטכנולוגיות ירוקות ואף אחד כבר לא יצטרך את הנפט שלהן זה יגרום להן להתמוטט (אמן ואמן) והעולם יהיה כנראה הרבה יותר טוב.

    היום למרבה הצער הן עדיין מחזיקות את העולם ואת המעצמות בביצי# והגיע הזמן לשים לזה סוף.

    ישראל יכולה להיות מעצמה בתחום האנרגיה הירוקה.

  10. שאלת תם

    1. "מערכת האב-טיפוס היא בגודל של סנטימטר מרובע והיא מסוגלת להמיר שיעור של 10 אחוזים מקרני השמש לאנרגיה המאוחסנת כדלק כימי"

    לשם השוואה מהו שיעור ההמרה (באחוזים) של עלה צמח אמיתי ?

    2. אנו שומעים חדשות לבקרים על פריצות דרך בתחום של אנרגיה סולארית, מתי השיטה הזו תגיע כבר לרמת מחיר/יעילות של נפט וגז ותוכל להחליף אותן כמקור אנרגיה עיקרי ?

הוספת תגובה

  • (will not be published)