מקור חדש לדשן חקלאי זול?

הפתרון של תעלומה בת שבעים וחמש שנים עשוי ביום מן הימים לאפשר לחקלאים במדינות מתפתחות לייצר את הדשן שלהם בעצמם לפי הנדרש, תוך שימוש באור השמש ובחנקן שמקורו באוויר

הודות למכשיר קרני רנטגן מיוחד חוקרים מהמכון הטכנולוגי של ג’ורג’יה אימתו את קיומם של יחסי הגומלין שהיו בגדר השערה בלבד מזה שנים רבות בין חנקן לבין דו-תחמוצת הטיטאניום (TiO2) – חומר פוטו-קטליטי נפוץ הידוע בשם טיטאניה – בנוכחות אור. החוקרים סבורים כי התגובה הקטליטית עושה שימוש באטומי פחמן הנמצאים בצורת זיהומים בתוך הטיטאניה.

אם ניתן יהיה להרחיב את קנה המידה של תגובת קיבוע חנקן זו, היא עשויה לסייע בעתיד לייצור נקי של דשן שיוכל להפחית את העלויות הכספיות שלו, בעיקר בחוות חקלאיות הנמצאות באזורים מבודדים. רוב הדשן המיוצר כיום מופק תוך שימוש באמוניה במסגרת תהליך ששמו הבר-בוש, הנדרש לכמויות גדולות של גז טבעי. “בארה”ב, קיימת מערכת מעולה לייצור והפצה של דשן. יחד עם זאת, מדינות רבות לא מסוגלות לבנות מפעלים המבוססים על תהליך זה (הבר-בוש), והן גם חסרות את תשתיות התובלה המתאימות לייבוא דשן. עבור אזורים כאלו, הקיבוע הפוטו-קטליטי של חנקן עשוי להיות שימושי לשם ייצור דשן על פי דרישה”, אמרה אחת מהחוקרות. “בסופו של דבר, התהליך עשוי להיות תהליך זול שיוכל לייצר חומרי הזנה מבוססי דשן כך שיהיו זמינים לקשת רחבה יותר של חקלאים”.

המחקר החל לפני למעלה משנתיים כאשר החוקרים החלו לשתף פעולה באשר לתעלומה שמקורה במאמר שפורסם בשנת 1941 על ידי מדען קרקע הודי שדיווח על תצפית שבמסגרתה הודגמה עלייה בכמות האמוניה שנפלטה מערימת דְּשֹׁנֶת (קומפוסט) שהייתה חשופה לאור. המדען ההודי הציע כי תגובה פוטו-קטליטית עם מינרלים הנמצאים בדשונת יכולה להיות האחראית לקבלת האמוניה.

מאז המאמר, גם חוקרים אחרים דיווחו על קיבוע חנקן על גבי טיטאניה וייצור אמוניה כתוצאה מכך, אולם התוצאות מעולם לא הוכחו באופן אמין במסגרת ניסויים מדעיים. אחד מהחוקרים מהמכון הטכנולוגי של ג’ורג’יה מתמחה בכימיה תיאורטית והוא עסק בבניית מודל ממוחשב שיוכל לתאר את המסלולים הכימיים שיידרשו על מנת לקבע חנקן על גבי טיטאניה ופוטנציאלית לייצר אמוניה תוך ניצול תגובות נוספות.

החישובים מרמזים כי התהליך המוצע היה בעל סבירות בלתי מעשית על פני טיטאניה טהורה, והחוקרים נכשלו בקבלת מענק מחקר שנושאו היה בדיקת התהליך העלום. למרות דחיית הצעת המחקר שלהם, הם כן קיבלו זמן ניסוי על ציוד מתקדם שאפשר להם, בסופו של דבר, לבחון מרכיב מפתח בהשערה שלהם.
הציוד המיוחד אפשר לחוקרים להשתמש בשיטת XPS (ספקטרוסקופיית פוטואלקטרון בעזרת קרני רנטגן) על מנת לבחון את פני השטח של טיטאניה בזמן שחנקן, מים וחמצן מגיבים איתם בחושך ובאור. בתחילה, החוקרים לא הבחינו בכל קיבוע חנקן פוטו-כימי, אולם ככל שהתקדמו הניסויים, הם הבחינו בתגובה ייחודית בין חנקן לביו טיטאניה כאשר אור הוקרן ישירות על גבי פני השטח של המינרל. מהו ההסבר לחוסר התוצאות הללו בניסוים הקודמים? החוקרים מאמינים כי זיהום בפני השטח באטומי פחמן – ככל הנראה מתוך חומרים פחמימניים – מהווה חלק חיוני מהתהליך הקטליטי של חיזור חנקן על גבי טיטאניה. “לפני התחלת הניסויים, הדגימות עוברות ניקוי יסודי לשם הרחקת כל שאריות פחמן מפני השטח שלהם, אולם, במהלך הבדיקה כמות שיורית של פחמן מתוך מגוון מקורות (גזים ותא הואקום) עשויה להיכנס חזרה לדגימה”, מסביר החוקר הראשי. “אנו גילינו כי מקרים שבהם נצפו צורוני חנקן מחוזרים התרחשו רק כאשר הייתה רמה מסוימת של פחמן בתוך הדגימה”. ההשערה של זיהום פחמימן יכולה להסביר מדוע מחקרים קודמים סיפקו תוצאות בלתי עקביות. פחמן תמיד נמצא ברמות שיוריות על גבי טיטאניה, אולם השארת הכמות והסוג הנכונים עשויים להיות המפתח להצלחת התגובה.
“אנו סבורים כי הממצאים שלנו מסבירים היטב את התוצאות המפתיעות שדווחו במשך השנים בספרות המדעית, ואנו מקווים כי הם מספקים תובנות באשר להכנה של זרזים חדשים בעזרת פתרון תעלומה בת 75 שנים”, מוסיף ואומר החוקר הראשי. “בדרך כלל הזרזים הטובים ביותר הם חומרים טהורים במיוחד המיוצרים בחדרים נקיים. במקרה הזה הדבר בדיוק הפוך – תגובה זו למעשה מחייבת נוכחות של זיהומים, תוצאה שעשויה להיות תועלתית עבור יישומים ברי-קיימא בחקלאות”.
המחקר שפורסם בכתב העת לא מדד נוכחות של אמוניה, אולם אותם חוקרים גילו כמויות שלה בבדיקות מעבדה שהם ערכו מאז. לאור העובדה כי האמוניה המתקבלת כעת היא ברמות כה נמוכות, החוקרים צריכים לנקוט באמצעי זהירות על מנת להימנע מזיהום שמקורו באמוניה עצמה. “אפילו סרט הדבקה המשמש בציוד יכול ליצור כמויות זעירות של אמוניה שיכולו להשפיע על המדידות,” מסביר החוקר הראשי. החוקרים מאמינים כי בזכות שיפורים בתהליך, היתרונות של ייצור דשן באתר הצריכה עצמו תחת תנאים רגילים יוכלו להתגבר על המגבלות של השיטה. “אם נוכל לפתח מתקן ייצור אמוניה בקנה מידה קטן בעל קיבולת המספיקה לחווה אחת, מתקן ייצור המסוגל לספק את צרכי החנקן והחמצן מהאוויר החינמי שמסביבנו, הרי שמיד נספק שינוי ניכר לאותה חווה,” מסביר החוקר הראשי.

תקציר המאמר

הידיעה על המחקר