תאי השמש עוברים פוטו-סינתזה
בני רן ואבי בליזובסקי
קישור ישיר לדף זה: https://www.hayadan.org.il/spinachcompting.html
עלי התרד ואור השמש מאריכים את חייהן של סוללות
תרד. בפעם הראשונה הצליחו מדענים להפיק מתהליך הפוטוסינתזה זרם חשמלי ממושך
הורים ורופאים משבחים כבר שנים את סגולותיו של התרד. כעת הצטרפה למקהלה קבוצה מפתיעה: חוקרים המבקשים “להכניס חיים לסוללות”. מדענים מהמכון הטכנולוגי של מסצ’וסטס (MIT), אוניברסיטת טנסי, מעבדת המחקר הימית האמריקאית, והסוכנות למיזמי מחקר מתקדם של משרד ההגנה, גילו דרך לרתום את האנרגיה שבה משתמשים הצמחים בעת תהליך הפוטוסינתזה כדי ליצור אור. המדענים מיישמים את התהליך להארכת חיי הסוללות בטלפונים סלולריים, במחשבים ניידים ובמכשירים אלקטרוניים נישאים. מארק באלדו, מרצה להנדסת חשמל ב-MIT שהשתתף בעבודה על הפרויקט, מקווה להשתמש בשבבים גם במכשירי רדיו וביחידות זיכרון. אך המחקר עדיין בראשיתו, ועד שהטכנולוגיה תיכנס לשימוש מסחרי יעברו עוד שנים רבות.
התגלית מטשטשת את המחסומים בין הטבע לטכנולוגיה, טוענים המדענים. “זה מראה שיש דרך להשתמש במולקולות שנוצרו באופן ביולוגי, ולחבר אותן ישירות למעגלים אלקטרוניים יישומיים”, אומר בארי ברוס, פרופ’ לביוכימיה וביולוגיה תאית ומולקולרית באוניברסיטת טנסי-נוקסוויל. “זה פותח פתח ליישומים, בין אם אתה רוצה לייצר כבלי די-אן-אי, או תאים ריאקטיוויים מבוססי אנזימים”.
זו הפעם הראשונה שמדענים הצליחו להפיק מתהליך הפוטוסינתזה “משהו בסיסי כמו זרם חשמלי”, אומר הפרופ’ ברוס. בניסיונות קודמים הצליחו החוקרים ליצור זרם למשך שעות אחדות בלבד, אך הפעם הצליחה קבוצת המדענים להפיק זרם חשמלי שנמשך שלושה שבועות. הניסיונות הקודמים להפיק זרם מפוטוסינתזה כשלו משום שהחלבונים הלוכדים אנרגיה מאור השמש מתו ללא מים. פריצת הדרך הושגה לאחר ששוגואנג ז’אנג, סגן מנהל המרכז להנדסה ביו-רפואית במכון MIT, הצליח ליצור דטרגנט חלבוני שייצב את החלבון ואיפשר לו להעביר אנרגיה.
התרד נבחר למשימה משתי סיבות: הן בשל ריכוז הכלורופיל הגבוה בו, הניכר בצבעו הירוק-כהה, והן בשל מחירו לנמוך. קודם לכן שקלו המדענים להשתמש באפונה ירוקה, אך מחירו הנמוך של התרד וזמינותו הפכו אותו למועמד המנצח. אם כדי להשיג אפונה טרייה היו המדענים צריכים לגדלה בעצמם, אמר הפרופ’ ברוס, הרי שתרד “אפשר לקנות בכמויות כל השנה”.
הפרופ’ ז’אנג סיפר כי החוקרים מוססו את התרד בצנטריפוגה, חילצו מתוכו את החלבון והניחו אותו במהופך, עם מרווח בין כל אחד מהחלבונים, על השבב. הדטרגנט החלבוני הוכנס במרווחים, ובתהליך של “הרכבה עצמית”, התחברו שני החלקים כאצבעות משולבות. התערובת הונחה בין שכבות פלסטיק, זהב ותחמוצת אינדיום בדיל – חומר שקוף מוליך-למחצה. בסיומו של התהליך הפכו השבבים לעמידים וקלים לתיקון: אם חלבון אחד יפסיק לפעול, אפשר להחליפו באחר.
המתקן, שנראה כמו מיקרו-שבב מרובע באורך של כס”מ ובתוכו נוזל ירוק, לא יפעיל מכשירים אלקטרוניים בעצמו, אלא יעטוף סוללה מבחוץ וישתמש בכוח האור כדי להאריך את חייה.
עד כה נוספה לשבבים שכבה אחת בלבד של תמיסת תרד, שמאפשרת ייצור חשמל מועט בלבד. בעתיד מתכננים המדענים להוסיף שכבות נוספות כדי להוסיף כוח. “זה כמו הקמת בניין”, אמר פרופ’ ז’אנג. “הוא הופך שלם יותר עם כל קומה נוספת”. הפרופ’ ז’אנג אינו ממהר להתלהב; לדעתו, יעבור עשור בטרם יוכול להשתמש בתגלית לצרכים מסחריים. אבל ייתכן שבסופו של דבר ירקות הם שיפעילו את מוצרי האלקטרוניקה. “זה ייקח קצת זמן”, אמר הפרופ’ ז’אנג, “אבל המחסום הראשון כבר נפרץ”.
האם יכולים מחשבים נישאים לפעול על תרד?
פורסם לראשונה באתר הידען ב07/9/2004. עדכון בהמשך
אבי בליזובסקי ובני רן
לא רק פופאי אוכל תרד – גם מחשבים יכולים לעכל אותו, סבורים חוקרים אמריקניים שבנו תאים חשמליים שמונעים על ידי חלבונים מהצומח. תאי השמש הביולוגיים ממירים את קרני האור לאנרגייה חשמלית, ואמורים להיות יעילים וזולים לייצור – אומר החוקר מארק בלדו מהמכון הטכנולוגי של מסצ’וסטס, שנטל חלק בפיתוח. התגלית פורסמה ב- Nano Letters.
הצוות של בלדו בודד כמה חלבונים פוטו-סינתטיים מעלי התרד והכניס אותם בין שתי שכבות של חומר מוליך. ברגע שנחשף התא הזעיר לאור הופק זרם חשמלי. אולם, חילוץ החלבונים לא היה קל. המולקולות עדינות ונוטות להפסיק לפעול ברגע שהן מנותקות מסביבתן הטבעית. החוקרים שימרו אותן באמצעות ערבובן במולקולות עמידות יותר, שמגינות על החלבונים מפיקי האנרגייה וגורמות להם להתנהג כאילו הם עדיין מחוברים לצמח.
החלבונים הוצמדו ללוח זהב דק, שחובר ליריעה של מתכת שקופה ומוליכת חשמל, שמעליה שכבה נוספת של מוליך אורגני. פיתוח המערכת עדיין לא הושלם, בין השאר משום שלפי שעה היא פועלת במשך 21 ימים בלבד ולאחר מכן מסתיימת פעולתה. כעת מחפשים החוקרים חלופות שמסוגלות לפעול במשך זמן ממושך יותר. בנוסף לכך, התאים ממירים כיום רק כ- 12 אחוזים מהאנרגייה הנספגת בהם לחשמל. אולם, החוקרים סבורים שניתן לשפר ערך זה ולהגיע לניצולת של כעשרים אחוזים – שיעור טוב מזה של תאי השמש המקובלים, המיוצרים מסיליקון.
סוללת ירקות
14/10/2004
זוכרים את “פופאיי המלח” חובב התרד, מסרטי האנימציה של וולט דיסני? בקרוב, כך מבטיחים מדענים במעבדת המכון הטכנולוגי של מסצ’וטס, MIT , עלי התרד הירוקים לא רק “יוסיפו כח” לשרירי הזרוע של פופאיי – הם ישמשו להפקת אנרגיה חשמלית, לשם הפעלת מחשבים נישאים וטלפונים סלולריים. במלים אחרות: קרב ובא היום שבו נראה סוללות “ביולוגיות”. יותר נכון: תא סולארי שמפיק חשמל בטכנולוגיה המזכירה את תהליך הפוטוסינתזה.
הרעיון של הצוות האמריקני מצטרף אפוא לרעיון של מהנדסים בריטיים להפקת שמן מחמניות – לא רק לתיבול סלט ולבישול, גם כדלק למנועים. שני הרעיונות הם בלי ספק בעלי משמעות כלכלית נרחבת, לעתיד.
החידוש שהושג במחקר החדשני ב- MIT , הוא בזה שלראשונה נרתמה יכולת של צמחים להמיר אנרגיה שמקורה מאור השמש – לחשמל, או יותר נכון להתקן אלקטרוני ( שבב) המכונה עתה “כריך התרד”.
ליבת ההתקן היא קומפלקס של חלבונים פוטוסינטטים שנגזר מהכלורופלסטים של התרד, אותה מערכת אברונים צמחית שבה מבוצעת הפוטוסינתזה. רוחבה של מערכת החלבונים הוא 10 עד 20 ננומטר (ננו-מטר = החלק המיליארדי של המטר). כ-100 אלף כמותם “נכנסים” לראש של סיכה.
צוות הפיתוח שבראשו פרופ’ מארק באלדו כולל עוד מהנדסים מאוניברסיטת טנסי וממעבדת המחקר המרכזית של הצי האמריקני וביניהם מומחים באלקטרוניקה, מחשבים, הנדסה ביו-רפואית, ביולוגים וננו-טכנולוגים.
בדיווח לעלון המדעי “ננו-לטרס” שמוציאה החברה האמריקנית לכימיה – החברה המדעית הגדולה בעולם – הדגישו החוקרים: “התגברנו כבר על המיכשול הראשון שבו היה עלינו לשלב ולהטמיע קומפלקס של חלבונים פוטוסינטטיים בתוך התקן אלקטרוני, מוצק, כלומר בתוך שבב”.
פרופ’ באלדו מסר כי יכולת הצמחים לייצר אנרגיה השתכללה לאורך מיליוני שנות אבולוציה והתברר כי עלי התרד הם יעילים באופן יוצא מהכלל למטרה הזאת. כמות האנרגיה שהכלורופילים בעלה התרד מייצרים היא עצומה יחסית למימדיו ומשקלו. השאיפה לחבר בהתקן אחד בין חומרים ביולוגיים ללא-ביולוגיים, מרתקת מכבר את המדענים – אלא שעד כה חומרים ביולוגיים חייבו מים ומלחים כדי לשרוד – ושני רכיבים אלו אינם טובים לאלקטרוניקה.
אבל צוות הפיתוח יצר קרומית פפטידית, כלומר מבוססת על מולקולות קטנות של חלבונים, דקיקה במיוחד ומזכירה רכיב מרכזי בסבון – והיא זאת שיצבה את הקומפלקס הפוטוסינטטי ואפשרה כך גם ליצור מעגל אלקטרוני מתאים. אגב, בתוך “כריך התרד” יש גם שכבות של מתכת זהב – מוליך חשמלי מעולה במיוחד.
