המוציא דלק מהאוויר – חוקר פוסט דוקטורנט באוני’ ת”א היה שותף לפיתוח מערכת שהופכת CO2 לדלק בזול

חוקר שהיה שותף בפיתוח מערכת הפיכת דו תחמוצת הפחמן מהאוויר והמימן מהים לדלק, ישפר את מנועי הסילון באוניברסיטת תל אביב * ד”ר בריאן רוזן, מילגאי פולברייט הבטיח בשיחה עם אתר הידען כי ההמצאה שלו בידיים טובות ולא נקנתה על מנת להיגנז. הוא החל בפוסט דוקטורט אצל פרופ’ נועם אליעז ופרופ’ אליעזר גלעדי ובמסגרתו יחקור ציפוי רכיבי מנועי סילון בסגסוגות רניום כדי להאריך את חייהם ולהגביר בטיחות הטיסה. * יש לו עצות לסטודנטים ישראלים שרוצים להמשיך לימודיהם בארה”ב, לקראת כנס שייערך ב-10 באוקטובר

לא בכל יום פועל בארץ מישהו שהיה שותף בתגלית שנראית כמו המצאת הגלגל, אלמלא היא פורסמה בכתב העת סיינס. במסגרת עבודת הדוקטורט שלו חקר ד”ר ברקיאן רוזן ביחד עם עמיתים באוניברסיטת שיקאגו דרכים להפקה זולה של דלק מהחומר המושמץ ביותר באטמוספירה: דו תחמוצת הפחמן. רוזן, שוהה בישראל כעמית מחקר בתר-דוקטורי של תכנית פולברייט האמריקאית לחילופי מרצים וסטודנטים.

“אני מתארח באוניברסיטת תל אביב אצל פרופ’ נועם אליעז ופרופ’ אליעזר גלעדי. המחקר שלי בתל אביב הינו פרוייקט משותף של חיל האויר הישראלי וחיל האויר האמריקאי המתמקד בשילוב ציפוי ננו-מבני של סגסוגת רניום (Rhenium) אלקטרוכימית לשימוש במנועי סילון. ציפוי זה ישפר את העמידות של רכיבי מנוע סילון מרכזיים אשר חשופים כל הזמן לטמפרטורות גבוהות וסביבה ריאקטיבית ויאפשר הרבה יותר שעות טיסה בטוחות.”

הידען: ריניום הוא חומר יקר ונדיר, כיצד ניתן יהיה לשלב אותו מבלי ליקר מאוד את עלות המנוע?

“מדובר בשכבה דקה של סגסוגת, אך מספיק בה כדי להקנות את התכונות הטובות של החומר לחלקי המנוע. במהלך המחקר נבחן את עמידותם בפני סדקים ומתיחות של סגסוגות הרניום השונות, עד שנמצא את התצורה המתאימה ביותר. אמנם מדובר בחומר יקר, אך הורדת תדירות החלפות החלפים במנוע תגרום מצידה להוזלה משמעותית בעלויות תחזוקת המטוס.”

רוזן למד את התואר הראשון שלו באוניברסיטת דלוור ואת התואר השני והשלישי באוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין, בהנחיית פרופ’ ריצ’רד י. מאסל (בדימוס) ופול ג.א. קניס. פרוייקט המחקר לדוקטורט שלי עסק בפיתוח כור אלקטרוכימי יעיל ביותר אשר יכול להמיר פחמן דו-חמצני ((CO2 לחומר שממנו נוצר דלק כגון פחמן חד חמצני (CO). לאחר מכן, הפחמן החד חמצני ניתן לעירבוב בקלות עם גז מימן ולהמירו לדלקים נוזליים סינטטיים, באמצעות סינתזת Fisher-Tropsch הידועה. תהליך זה הוא למעשה “פוטוסינתזה מלאכותית”, כיון שבדומה לצמחים, אנו מעוניינים להשתמש באנרגיה מתחדשת ולהמיר פחמן דו-חמצני מהסביבה שלנו למקורות אנרגיה.

“בשנת 2010, צפתה סוכנות המידע האמריקאית לאנרגיה כי הביקוש העולמי לאנרגיה יגדל ב -50%, מ- 500 קודריליון BTU ל -750 קודריליון BTU משנת 2007 לשנת 2035. במקביל, הצורך בדלק נוזלי לתחבורה, תעשייה, מבנים וחשמל צפוי לעלות מכ -80 מיליון חביות לכ- 115 מיליון חביות, באותה תקופת הזמן. דלקים מאובנים מספקים את מרבית דרישות האנרגיה העולמיים, וימשיכו לספק את צרכי האנרגיה שלנו בעוד שפתרונות אנרגיה חלופיים עדיין נמצאים בשלבי המחקר. השימוש בדלקים מאובנים כמקור אספקת האנרגיה שלנו אחראי לפליטה השנתית של כמעט 60% מגזי החממה (GHG). כתוצאה מכך, ריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה עלה מ כ -300 חלקיקים למיליון (ppm) לכ-400 חלקיקים למיליון ב 100 השנים האחרונות, וייתכן שהדבר גורם להתחממות גלובלית.”

“שתי מטרות המחקר שלנו: (1) להפחית את התלות שלנו בדלקים מאובנים המספקים את צרכי האנרגיה שלנו (2) לפתח טכנולוגיות אנרגיה חלופית שיאטו או ייצבו את רמות הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה. אנו מקווים להשיג את שתי המטרות הללו באמצעות ניצול אנרגיה חשמלית עודפת מחומרי גלם המתחדשים תקופתית כמו רוח ושמש, במטרה להמיר פסולת פחמן דו-חמצני אלקטרוכימית ממפעלים כימיים ובתי זיקוק בחזרה לדלקים, במקום לפלוט אותה לאטמוספרה.”

“הרעיון של המרת פחמן דו-חמצני לדלקים הוא לא רעיון חדש. מחקרים מדעיים בנושא החלו כבר לפני למעלה מ 30 שנה. למרות מאמצי המחקר, הרעיון לא הפך להיות מסחרי כיון שהמרת פחמן דו-חמצני לפחמן חד-חמצני מצריכה רמת אנרגיה גבוהה. פחמן דו-חמצני הינה מולקולה יציבה ולא אנרגטית ולכן יש צורך להשקיע רמת אנרגיה גדולה בכדי להמירה למולקולת אנרגיה גבוהה יותר הנדרשת לייצור דלק. המכשול העיקרי לפוטוסינתזה מלאכותית הוא האנרגיה גבוהה הנדרשת כדי להמיר פחמן דו-חמצני לפחמן חד-חמצני. כימאים ומהנדסים משתמשים בסוג חומר הנקרא “זרז” כאשר הם מבקשים להוריד את רמת האנרגיה הדרושה לתגובה כימית (כגון המרת פחמן דו-חמצני לפחמן חד-חמצני). זרזים הם ייחודיים במובן זה שהם מסוגלים להאיץ תגובות כימיות מבלי ליצור תגובה עצמית. פחמן דו-חמצני קשה להמרה כיון שכימיקלים תקופתיים הנדרשים להמרה הם בעלי אנרגיה גבוהה ומולקולות לא יציבות אשר יוצרות מחסום אנרגטי להמרה יעילה של פחמן דו-חמצני לדלקים.”

“הכור שלנו עושה שימוש בשני זרזים- משטח מתכת ונוזלים יוניים- במטרה להפחית את האנרגיה הנדרשת להמרת פחמן דו-חמצני. הפחמן הדו-חמצני מוזן לתוך הכור האלקטרוכימי בו הוא יכול לקיים אינטראקציה עם נוזלים יוניים ומשטח מתכת, ואז ניתן להמירו לפחמן חד-חמצני כאשר חשמל מחומרי גלם מתחדשים מוזן למשטח המתכת. האינטראקציה בין הפחמן הדו-חמצני והנוזלים היוניים משנה את הכימיקל המתווך לבעל צורת אנרגיה נמוכה ויציבה יותר, ובכך מקטינה את האנרגיה המוזנת הנדרשת להמרת פחמן דו-חמצני לפחמן חד-חמצני. לאחר מכן, המוצר, פחמן חד-חמצני משתחרר ממשטח המתכת משם יכול להישלח למתקנים בכדי להפוך לדלק.”

טכנולוגיה זו יוצרת את האפשרות למקור אנרגיה אשר:

1.   ממירה ביעילות פסולת פחמן דו-חמצני לדלקים באמצעות עודפי חשמל ממקורות מתחדשים (למשל שמש או רוח).
2.   מספקת דלק מלאכותי שיכול להיות מועבר דרך תשתית הבנזין הנוכחית שלנו (בניגוד לאנרגית מימן שמחייבת בנייה של צינורות ותחנות תדלוק חדשים).
3.   מספקת מקור אנרגיה חלופי שאינו מתחרה באספקת המזון (בניגוד להמרת תירס לאתנול).

משרד האנרגיה האמריקאי מצא כי יעילות צריכת אנרגיה בתהליכי ההמרה של פחמן דו-חמצני הינה מעל 50%. התהליך שלנו מציג יעילות אנרגטית של 87% מהם יותר מ -95% מהזרם החשמלי משמש כדי להמיר את פסולת הפחמן הדו-חמצני למוצר הפחמן החד-חמצני הרצוי.
המחקר שלנו התפרסם במגזין האקדמאי ‘Science’ בשנת 2011 כיון שהוא הציג פריצת דרך משמעותית אשר מאפשרת ייצור דלק סינטטי מפחמן דו-חמצני באופן מסחרי. האוניברסיטה של אילינוי וחברת הסטארט-אפ ‘Dioxide Materials’ (שנוסדה ע”י אחד ממנחי הדוקטורט שלי, ריצ’רד מאסל) כרגע עובדים עם חברות אמריקאיות גדולות במטרה למסחר טכנולוגיה זו. מחקר זה נתמך ע”י מענקים ומלגות של מחלקת האנרגיה האמריקאית ומחלקת ההגנה האמריקאית.

אין סכנה שמישהו יקנה את הפטנטים ויקבור אותם, כפי שעשו תעשיות האנרגיה לאינספור המצאות מאז שנות השבעים (המכונית החשמלית לדוגמה)?
“החברות הגדולות שאנו עובדים איתן הן חברות רציניות והן ממשיכות בפיתוח. אנשים שלהם באים כל הזמן לאוניברסיטת אילינוי ואנשים שלנו באים אליהם.”

מדוע בחרת באוניברסיטת ת”א?
רוזן: “בחרתי באוניברסיטת תל אביב של המוניטין המעולה שלה הן בהנדסה והן בתחומי המדע הטהור. המרכזים המולטידיסצפלינריים בקמפוס כדוגמת המרכז לננוטכנולוגיה, מקדמים שיתופי פעולה בין תחומי הנדסה שונים ובין מחלקות מדעיות טהורות, דבר המוביל למחקרים בעלי השפעה גבוהה. לאחר המפגש שלי עם היועצים העתידיים שלי אליעז וגלעדי, הבנתי שההתמחות שלהם וההתלהבות בשילוב כל המשאבים הזמינים באוניברסיטת תל אביב הופכים את ההחלטה לקלה.”

רוזן עשה את הכיוון ההפוך אך הוא ממליץ לישראלים לצאת ללימודים מתקדמים ולפוסט דוקטורט בארה”ב: “בהינתן מימון, בפרט לפוסט דוקטורט, חשוב מאוד להפגין יצירתיות ועצמאות. ישנן בעיות רבות שהממשל האמריקני מקצה כספים כדי לפתור אותן. המטרות מדעיות של הממשל והסוכנויות הממומנות על ידו (מחלקת האנרגיה, ARPA, NIH ועוד) זמינות באינטרנט ולכן אני ממליץ למי שרוצה לצאת לערוך את המחקר שלו באתרי הסוכנויות. אם נושא המחקר מעניין את אחת הסוכנויות הללו יש סיכוי גבוה לקבלת מימון. ”

• “בכל מקרה חשוב להציע הצעות יצירתיות כאשר כותבים הצעת מחקר המבקשת לפתור בעיה נבחרת. חשוב גם להסתמך על פרסומים ממשלתיים בהצעה כדי להראות לבוחנים שעשיתם ‘שיעורי בית’.
• “נצלו את מערכת המכונים הלאומיים, אם הדבר רלוונטי. המעבדות הלאומיות מספקות לסטודנטים גישה לציוד שלא כל אוניברסיטה יכולה להחזיק כגון מיקרוסקופי אלקטרונים חזקים, מאיצים קווים, סינכרוטרונים ו”מערכות להתנגשות אטומים” פחות או יותר בחינם. הפעלת הציוד הזה היא על בסיס תחרותי פשוט צריך להגיש הצעה קצרה אודות השימוש המתוכנן שלך במכשיר וההצעות המקבלות את הציונים הגבוהים ביותר מקבלות זמן גישה.
• “זכרו תמיד שבכל רגע נתון, 99% מהמחקרים ממתינים לחוקרים שיטפלו בו אך גם ש-99% מהתוצאות לא יהיו כפי שציפתם”.
• “אהבו את עבודתכם. אם אינכם אוהבים את המחקר, אם אין בכם תשוקה למה שאתם עושים ולהשפעה שהמחקר שלכם יכול לספק, הסיכוי שתצליחו או שתהנו מעבודתכם בנסיון להצלחה קטן. תהיו גאים בפרויקטי שלכם ותמיד תחשבו על ההשפעה הגדולה ביותר האפשרית שלו.”

ד”ר בריאן רוזן ישתתף ב-10 באוקטובר בכנס ללימודים מתקדמים במדעים בארה”ב, של מרכז EducationUSA, הפועל במסגרת קרן חינוך ארה”ב-ישראל (תכנית פולברייט). בכנס ידונו באפשרויות המחקר ובאפשרויות המימון בארה”ב, תהליך הרישום, הקבלה והלימודים בארה”ב. הכנס לא כרוך בתשלום. להרשמה מראש.

פולברייט הינה התוכנית הממשלתית הראשונה שהופעלה לקידום הקשרים המדעיים בין ישראל לבין ארה”ב. השתתפותה של ישראל בתכנית זו מנוהלת ע”י קרן חינוך ארה”ב-ישראל.