זרז חדש לאחסון גז מימן

בעקבות התבוננות בטבע וקבלת השראה מתוכו, חוקרים השתמשו בחלבון נפוץ על מנת להכווין את העיצוב של חומר המסוגל לאחסן בתוכו גז מימן.

בעקבות התבוננות בטבע וקבלת השראה מתוכו, חוקרים השתמשו בחלבון נפוץ על מנת להכווין את העיצוב של חומר המסוגל לאחסן בתוכו גז מימן. החומר הסינתטי פועל פי עשרה מהר יותר מאשר החלבון המקורי שמצוי בחיידקים.

שלב זה הוא רק חלק אחד מסדרה של תגובות שמטרתן לבקע את מולקולת המים ליצירת גז מימן, אולם החוקרים מציינים כי הממצאים מדגימים כי הם מסוגלים ללמוד מהטבע כיצד לשלוט בתגובות אלו על מנת לפתח זרזים סינתטיים יציבים לאחסון אנרגיה, למשל עבור הפיתוח של תאי דלק. בנוסף, החלבון הטבעי, שהינו אנזים, מורכב ממתכות זולות ונפוצות, מאפיין שאומץ על-ידי החוקרים. כיום, חומרים אלו, המכונים זרזים (קטליזאטורים), מבוססים על מתכות יקרות כגון פלטינה.

“זרז זה, המבוסס על המתכת ניקל, הוא ממש מהיר,” מציין החוקר הראשי Morris Bullock מהמחלקה לאנרגיה במעבדה הלאומית של משרד האנרגיה של ארה”ב. “הוא כמאה פעמים מהיר יותר מהזרז המהיר ביותר הידוע עד כה. ומהטבע אנו יודעים כי ניתן יהיה לייצר אותו באמצעות מתכות נפוצות וזולות כגון ניקל או ברזל.”

אנרגיה חשמלית אינה אלא תנועה של אלקטרונים. אותם האלקטרונים הם גם האחראים לקשירתם של האטומים יחדיו כאשר הם קשורים כימית אחד לשני במולקולות כגון גז מימן. הפיכת אלקטרונים לקשרים כימיים היא אחת מהדרכים לאחסן אנרגיה חשמלית, שיטה החשובה במיוחד למקורות אנרגיה מתחדשים וברי-קיימא, כגון אנרגיה סולארית או אנרגית רוח. המרת הקשרים הכימיים חזרה לחשמל זורם, כאשר השמש אינה זורחת או כאשר הרוח אינה נושבת, מאפשרת ניצול של האנרגיה המאוחסנת, כגון בתא דלק המופעל על מימן. בדרך כלל אלקטרונים מאוחסנים בסוללות, אולם החוקרים מעוניינים לנצל את האריזה הדחוסה יותר הזמינה בחומרים עצמם.

“אנו מעוניינים לאחסן אנרגיה באופן הדחוס ביותר האפשרי. בתוך קשרים כימיים ניתן לאחסן כמות עצומה של אנרגיה בנפח פיסיקלי קטן,” מסביר אחד מהחוקרים. מערכות ביולוגיות מאחסנות אנרגיה באופן דחוס כל הזמן. צמחים משתמשים בפוטוסינתזה על מנת לאחסן את אנרגית השמש בקשרים כימיים, אשר אותם בני האדם מנצלים כאשר הם צורכים מזון; וחיידקים נפוצים מאחסנים אנרגיה בקשרים הכימיים של גז מימן בסיוע של חלבון המכונה הידרוגנאז. מאחר ואנזים טבעי זה לא מאריך חיים כמו אנזימים סינתטיים מעשה ידי אדם (למשל, נייר מול פלסטיק), החוקרים רצו להוציא החוצה את החלק הפעיל של החלבון הביולוגי ולעצב אותו מחדש עם שלד כימי יציב יותר.

במחקר זה, המדענים התמקדו רק בחלק קטן מהתהליך של ביקוע מים לגז מימן, כמו הרצה קדימה לסופו של סרט קולנוע. מבין השלבים הרבים, קיים שלב שבו הזרז קשור לשני אטומי מימן שנלקחו מהמים.

הזרז עושה זאת באמצעות הרחקה מלאה של אטומי מימן מסוימים ממקור מימן כגון מים והצמדתם אחד לשני. לנוכח פשטותם של אטומי מימן, רכיבים אלו הינם פרוטונים הטעונים חיובית ואלקטרונים הטעונים שלילית. הזרז מסדר את הרכיבים הללו בכיוון הנכון כך שיוכלו להגיב זה עם זה באופן המתאים ביותר. “שני פרוטונים ושני אלקטרונים שווים למולקולה אחת של גז מימן,” מסביר החוקר. בחיים האמיתיים, הפרוטונים יגיעו ממולקולת המים, אולם מאחר והצוות בחן רק חלק מהתגובה, החוקרים השתמשו בתחליפי מים כגון חומצות על מנת לבדוק את הזרז שלו.

בהתאם למנגנון פעילותו של החלבון הטבעי, הזרז הניסיוני כולל אזורים אשר בולטים מחוץ למבנה המרכזי ותפקידם למשוך פרוטונים, ושמם “אמינים תלויים”. אמין תלוי זה מזיז את הפרוטון למיקום הנמצא בקצה הזרז, בעוד שאטום הניקל במרכזו של הזרז מספק אטום מימן בעל אלקטרון עודף. המימן האחוז ע”י קבוצת האמין חיובי במטענו, בעוד שאטום הניקל אוחז באטום מימן הטעון שלילית. בהיותם ממוקמים קרוב אחד לשני, שני החלקיקים הטעונים באופן מנוגד נמשכים זה לזה ומתלכדים לכדי מולקולה של גז מימן.

לנוכח תוכנית זו, הצוות בנה זרזים אפשריים ובדק אותם. בניסיון הראשון שלהם, הם הצמידו אוסף של אמינים תלויים מסביב לליבת הניקל, בחושבם כי ככל שיהיו יותר, כך יהיה טוב יותר. כאשר הם בדקו את הזרז הזה, הם מצאו כי הוא לא פעל מהר מאוד. אנליזת המנגנון שבאמצעותו הזרז הזיז את הפרוטונים ואת האלקטרונים הציעה כי קבוצות אמיניות תלויות רבות מדי מפריעות לתגובה המושלמת. ריכוז גבוה מדי של פרוטונים מאט את התגובה המייצרת את גז המימן. בעקבות כך, צוות החוקרים הורידו מספר קבוצות אמיניות מהזרז והשאירו את המספר המינימאלי ההכרחי לפעילותו.

כאשר החוקרים בדקו את הזרז החדש, הם מצאו כי הוא פועל הרבה יותר טוב מהמצופה. בתחילה הם בדקו את הזרז בתנאים שבהם לא היו מים כלל והזרז הפיק גז מימן בקצב של 33000 מולקולות בשנייה. קצב זה הרבה יותר מהר מהאנזים הטבעי שהוא 10000 מולקולות בשנייה.

אולם, ברוב היישומים בחיי היומיום יהיו נוכחים מים, כך שהם הוסיפו מים לתגובה על מנת לבדוק כיצד הוא פועל. הזרז פעל פי שלושה יותר מהר והפיק 100000 מולקולות מימן בכל שנייה. החוקרים סבורים כי מולקולת המים עשויה לסייע באמצעות הזזת הפרוטונים למיקומים בעלי יתרון בקבוצת האמין, אולם הם עדיין בוחנים את פרטי המנגנון. יחד עם זאת, לזרז החדש יש חיסרון – הוא מהיר, אולם הוא אינו יעיל. לחוקרים יש מספר רעיונות כיצד להגדיל את היעילות. בנוסף, מחקר עתידי יחייב הכנת זרז שיהיה מסוגל לבקע מולקולת מים בנוסף ליצירת גז מימן.

הידיעה על המחקר