אנרגיה בין אדום לשחור

מדעני מכון ויצמן מנסים להתחרות עם הצמחים בתחום ניצול אנרגיית השמש. האם יש לנו סיכוי לנצח בתחרות הזאת?

יש עתיד לאנרגיה חלופית. בין היתר, מכיוון שאת מה שלא עושה הטבע, אולי יעשה הצבע. בעתיד, ייתכן שנצבע בתים, מכוניות, ספינות ומטוסים בשכבה דקה של צבע שיקלוט אנרגיה סולרית וימיר אותה לחשמל או לדלק. בחירת הצבע תתבצע אמנם תוך התחשבות באסתטיקה, אך השיקולים האנרגטיים יכתיבו פשרות מסוימות. מכוניות פרארי, למשל, לא בהכרח ייצבעו באדום. ייתכן שהגוון שיתאים להן – לצורך הפקה יעילה של אנרגיה – יהיה דווקא שחור. למעשה, רוב כלי הרכב ייצבעו דווקא בצבעים כהים כדי שיקלטו יותר אנרגיית שמש.

ד”ר בוריס ריבצ'ינסקי, מהמחלקה לכימיה אורגנית במכון ויצמן למדע, מוצא ב”חזון השחור” הזה סיבה לאופטימיות. “מבחינת השימוש באנרגיה”, הוא אומר, “לא התקדמנו בהרבה. לצורך קבלת אנרגיה אנחנו שורפים נפט או פחם, שזמינותם סופית ושריפתם מסוכנת לסביבה. יחד עם זאת, צריכת האנרגיה בעולם הולכת וגוברת, והתחממות האקלים העולמי נעשית מאיימת יותר ויותר. יש פער גדול מאוד בין עוצמת בעיית האנרגיה לבין קצב ההתקדמות שלנו במציאת מקורות אנרגיה חלופיים. לכן אנחנו חייבים למצוא רעיונות חדשים ויצירתיים כדי להתמודד עם הבעיה”.

חברי קבוצת המחקר של ד”ר ריבצ'ינסקי מקדמים רעיון יצירתי כזה, שמבוסס על פוטוסינתזה, התהליך שבו צמחים וחיידקים מסוימים הופכים את אור השמש לאנרגיה כימית תוך שימוש בצבע אורגני – כלורופיל. אמנם, קיימים פיגמנטים מלאכותיים היעילים בהרבה מהכלורופיל, אלא שהשילוב שלהם במערכות פעילות אינו פשוט. ד”ר ריבצ'ינסקי שואף לבנות מערכות מולקולריות “מקושרות היטב”, אשר יספגו את אור השמש בתהליך חכם שיאפשר הפקת חשמל ודלקים באמצעות אנרגיית השמש.

למעשה, כבר קיימים תאי שמש אשר ממירים את אנרגיית השמש לחשמל, אך השימוש בהם מוגבל, בין היתר בגלל עלותם הגבוהה. בעיה נוספת היא אגירת אנרגיה, שהרי תא שמש פועל רק כאשר השמש זורחת. פתרון לבעיה זו נמצא ביכולת שלנו להמיר אנרגיית השמש לאנרגיה כימית, כלומר ליצור דלק מחומרים זמינים באמצעות אור. זה בדיוק מה שעושה הפוטוסינתזה בטבע. ד”ר ריבצ'ינסקי שואף לבנות מערכות פוטוסינתטיות מלאכותיות מחומרים אורגניים שיהיו זולים ונוחים. בתהליכים שהוא מקווה לפתח, ייתכן שאפשר יהיה לייצר דלקים שונים. בין היתר, מדובר בהפקת מימן ממים, או בהפקת מתנול (סוג של דלק) ממים ומפחמן דו-חמצני. הפתרון טמון ביכולת שלנו ליצור מערכות מורכבות שיאפשרו לנו לשלוט ביחסי הגומלין שלהן עם אור, וכן בפעילות החשמלית והכימית שלהן. בנייה והבנה של מערכות כאלה הן אתגר משמעותי. ד”ר ריבצ'ינסקי מאמין, שהבנת הפוטוסינתזה בטבע והישגים בתחומי הכימיה האורגנית והננוטכנולוגיה יאפשרו פתרונות חדשניים.

במעבדתו של ד”ר ריבצ'ינסקי לא מצויים קולטי שמש מסורתיים. למעשה, ללא מיקרוסקופ אלקטרונים אי אפשר לראות את המערכות הסולריות שלו, שגודלן אינו עולה על כמה מיליוניות המילימטר. כדי לייצר את המערכות הזעירות האלה, מנצל ד”ר ריבצ'ינסקי את תופעת הארגון העצמי, אשר שולטת בהיווצרותן של מערכות שונות. תפקיד חשוב בתהליך הזה שמור למים: מולקולות שונות נמשכות למולקולות מים או נדחות מהן, ועל-פי התכונה הזאת נקבע מקומן של המולקולות הללו במבנים שונים, לרבות תאים חיים ורקמות. ד”ר ריבצ'ינסקי משתמש בשורה של שיטות מולקולריות מתקדמות כדי לנצל את תכונת ההידרופוביות (שנאת המים) של מולקולות אורגניות מסוימות, ולגרום להן להתארגן במבנים יעילים להמרת אנרגיית שמש.

באחד המחקרים האלה בונה ד”ר ריבצ'ינסקי “חוטים” מולקולריים שנועדו לבצע שלושה תפקידים, בסדר עולה של קושי: להעביר פוטונים תוך כדי קליטת אנרגיית שמש, כפי שנעשה בשלב הראשון של הפוטוסינטזה; להעביר אלקטרונים כדי להעביר זרם חשמלי בתאי שמש; ולבסוף, להעביר אלקטרונים ופרוטונים כדי לייצר דלקים סולריים.

במקביל, במסגרת היוזמה החדשה של מכון ויצמן למדע בתחום חקר האנרגיה החלופית, הוא משתף פעולה עם מדענים נוספים במכון בבניית מערכות סולריות שישלבו מולקולות אורגניות, זרזים (קטליזטורים) וננו-חלקיקים להמרת אנרגיית השמש לחשמל ולדלק. “אנו שואפים לפתור שאלות של מדע בסיסי, שהוא המפתח לפתרונות מעשיים בתחום האנרגיה החלופית”, הוא אומר. “גם אני וגם תלמידי המחקר בקבוצתי מחויבים למאמץ זה, שהוא מקור למוטיבציה של כולנו”.

בטווח הארוך, המדענים מקווים לא רק להגיע למידת היעילות של הצמחים בתחום ניצול אנרגיית השמש – אתגר עצום בפני עצמו – אלא אף לעבור אותם ולהשיג יכולת לפעול ביעילות רבה יותר. “צמחים לא מתרוצצים כמונו, ולכן צורכי האנרגיה שלנו גדולים לאין שיעור משלהם”, אומר ד”ר ריבצ'ינסקי. “מכאן ברור שעלינו להפיק יותר אנרגיה, ביותר יעילות”.