מערכת סולארית חדשה לייצור דלק, או עלה מלאכותי, מייצרת באופן בטוח דלק מתוך אור השמש ומים תוך קבלת יעילות ויציבות מהגבוהים בעולם.
[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.
עוד בנושא באתר הידען: