לתדלק במימן

חוקרים עוסקים בפיתוח דרכים לתלדוק בגז מימן בכמות שתאפשר נסיעות ארוכות בכלי רכב מונעים בתאי דלק

מאת סוניטה סטיאפל, ג'ון פטרוביץ' וג'ורג' תומס

יום אחד, בשלהי קיץ 1783, ערך ז'ק שארל מבצע מדהים בפריס. הוא המריא לגובה של אלף מטרים מעל פני האדמה בבלון עשוי שקי משי מצופים בגומי, שאותם מילא בגז מימן קל מן האוויר. איכרים מבועתים השמידו את הבלון זמן קצר לאחר נחיתתו, אך שארל החל במסע שמדענים עדיין מנהלים מאתיים שנה אחריו: לרתום את כוחו של המימן, היסוד הקל ביותר ביקום, לצורכי תחבורה.

בין אם ישרפו את המימן במנוע, ובין אם ישתמשו בו להפקת חשמל בתאי דלק, האפשרות להשתמש במימן להנעת רכבי העתיד היא אפשרות קוסמת מכמה סיבות. אפשר להפיק אותו במפעלים מקומיים מחומרי גלם וממקורות אנרגיה מגוונים (למשל מקורות אנרגיה מתחדשים, כורים גרעיניים או דלק מחצבי). הגז אינו רעיל והוא יכול לשמש למעשה כנושא אנרגיה בלתי מזהם במכונות מסוגים רבים. כשמימן בוער הוא אינו משחרר פחמן דו-חמצני, שהוא גז חממה רב עוצמה. אם מזינים מימן למערך של תאי דלק – התקן דמוי סוללה שמפיק חשמל ממימן ומחמצן – הוא מסוגל להניע מכונית או משאית חשמלית ולפלוט רק מים וחום כתוצרי לוואי. כלי רכב מונעים בתאי דלק יכולים להיות יעילים פי שניים ויותר מן המכוניות של ימינו. משום כך, המימן יכול לסייע בהפחתת הבעיות הסביבתיות והחברתיות המעיקות, בהן זיהום האוויר והסיכונים הבריאותיים שהוא גורם, שינוי האקלים העולמי והתלות בייבוא של נפט זר.

עם זאת, המכשולים המעכבים את תדלוק המכוניות במימן הם מכשולים עצומים. בהשוואה של קילוגרם לקילוגרם, מכיל המימן אנרגיה רבה פי שלושה מבנזין, אך כיום עדיין אי אפשר לאחסן את הגז באופן פשוט ודחוס כמו שאפשר לאחסן דלק נוזלי רגיל. אחת הבעיות הטכניות המאתגרות ביותר היא כיצד לאחסן ברכב, ביעילות ובבטחה, כמות גדולה דיה של מימן כדי לאפשר מרחק נסיעה וביצועים שהנהגים רגילים להם. על החוקרים למצוא אפוא “פתרון פלא” לאחסון שיעמוד בכל הדרישות: להכיל די מימן לנסיעה במרחק המינימלי המקובל כיום בין תדלוקים – כ-500 קילומטרים; לא לגזול מקום מן הנוסעים או מן המטען; לשחרר את המימן בקצב זרימה שיאפשר האצה בכביש מהיר; לפעול בטווח טמפרטורות מעשי; לאפשר תדלוק או טעינה בתוך כמה דקות ולעמוד בתחרות המחיר. טכנולוגיות אחסון המימן המצויות כיום רחוקות מן היעדים האלה.

חוקרים בכל רחבי העולם, מתעשיית הרכב, מן הממשל ומן האקדמיה, משקיעים מאמצים רבים כדי להתגבר על המגבלות האלה. ההסכם להטמעת השימוש במימן של סוכנות האנרגיה הבין-לאומית, שנחתם ב-1977, מרכז סביבו כעת את הקבוצה הבין-לאומית הגדולה ביותר המתמקדת באחסון מימן, ששותפים בה יותר מ-35 חוקרים מ-13 מדינות. השותפות הבין-לאומית למשק המימן, שנוצרה ב-2003, כוללת כעת 17 ממשלות המחויבות לקידום טכנולוגיות המימן ותאי הדלק. ב-2005 הקים משרד האנרגיה של ארה”ב את פרויקט אחסון המימן הלאומי, הכולל שלושה “מרכזי מצוינות” ומרכז מחקר בסיסי ויישומי רחב שנערך במעבדות תעשייתיות, אוניברסיטאיות ופדרליות רבות. בשנת 2006 לבדה העניק הפרויקט יותר מ-30 מיליוני דולרים למימון כ-80 פרויקטי מחקר.

מכשולים תשתיתיים

מכשול אחד בדרך לאימוץ נרחב של תאי דלק מימניים במכוניות ובמשאיות הוא עצם גודלה של המשימה. כלי הרכב בארה”ב לבדה צורכים 1.45 מיליארד ליטרים של דלק מדי יום (כ-530 מיליארד ליטרים בשנה), שהם כשני שלישים מצריכת הנפט הלאומית של ארה”ב. יותר ממחצית הנפט הזה מגיע מארצות אחרות. ללא ספק, ארה”ב תצטרך להשקיע הון ניכר בהסבת תעשיית הרכב הביתי לייצור כלי רכב מונעים בתאי דלק, ובהתאמת מערכת הזיקוק ורשת ההפצה הרחבה של הדלק למערכת שתטפל בכמויות אדירות של מימן. כלי הרכב החדשים עצמם יצטרכו להפוך לזולים ועמידים דיים כדי להתחרות בטכנולוגיה המקובלת בלי להתפשר על הביצועים. עליהם להתמודד גם עם אבטחת בטיחות ועם דעת קהל שלילית ארוכת שנים – אנשים עדיין זוכרים את אסון ספינת האוויר הינדנבורג ב-1937 ומקשרים אותה למימן, אף על פי שיש ראיות אמינות שהמעטה הדליק של הספינה דווקא היה הגורם המכריע בהצתת הלהבה.

מדוע קשה כל כך לאחסן די מימן בכלי רכב? בטמפרטורת החדר ובלחץ אטמוספרי, המימן הוא גז שצפיפות אנרגיה שלו קטנה פי 3,000 מזו של דלק נוזלי. מכל דלק של 75 ליטר שמכיל גז מימן בלחץ אטמוספרי יניע רכב רגיל למרחק של 150 מטר בלבד. ולכן, המהנדסים חייבים להגדיל את צפיפות המימן המאוחסן כדי ליצור מערכת אחסון יעילה ושימושית בכלי רכב.

טווח נסיעה מינימלי של 500 קילומטרים לתדלוק הוא אחד היעדים המבצעיים העיקריים של פרויקט משותף לממשל האמריקני ולתעשייה -FreedomCAR and Fuel Partnership – שמטרתו לפתח טכנולוגיות מתקדמות לכלי רכב עתידיים. מהנדסים המחשבים חישובים כאלה מניחים שליטר דלק שווה ערך, מבחינת אנרגיה, לרבע קילוגרם מימן. אך מכיוון שמימן יעיל יותר, כלי רכב שזקוק היום ל-75 ליטר דלק כדי לנסוע לפחות 500 קילומטרים, יזדקק רק ל-8 קילוגרמים של מימן אם ינוע באמצעות תאי דלק. יהיו דגמים שיזדקקו לפחות מימן כדי לנסוע מרחק כזה, או ליותר, בהתאם לסוג כלי הרכב ולגודלו. במבחנים שנערכו עד כה, הגיעו 60 דגמים ראשוניים של מכוניות מימן מכמה יצרניות למרחקים של 160 עד 300 קילומטרים למכל.

החוקרים, השואפים להגיע לביצועים מעשיים עד שנת 2010 (השנה שבה מצפות כמה חברות להוציא לשוק את מכוניות תאי הדלק המימניים הראשונות), משווים את הביצועים של טכנולוגיות אחסון שונות ליעד של “שישה אחוזי משקל”. כלומר, מערכת אחסון שהמימן יתפוס 6% ממשקלה הכולל. במערכת שמשקלה הכולל הוא 100 קילוגרמים (משקל סביר לכלי רכב), משקל המימן המאוחסן יהיה 6 קילוגרמים. אף על פי ש-6% אינם נשמעים ככמות רבה, היעד הזה קשה מאוד להשגה. המערכת הטובה ביותר היום מכילה פחות מ-2%, והיא בנויה מחומרי אחסון הפועלים בלחצים נמוכים יחסית. שמירה על נפחה הכולל של המערכת בגבולות המקובלים של מכלי דלק המצויים בשוק תהיה קשה עוד יותר, מפני שרוב נפחה יוקצה למכלים, לשסתומים, לצנרת, לווסתים, לחיישנים, לבידוד ולכל דבר אחר הנדרש לאחסון 6 קילוגרמים של מימן. מערכת יעילה צריכה אפוא לשחרר מימן בקצב מהיר דיו כדי שהשילוב של תאי הדלק והמנוע החשמלי יצליח לספק את הכוח והתאוצה שהנהג מצפה להם.

להכיל מימן

יש היום כמה מאות דגמי אב-טיפוס של כלי רכב מונעים בתאי דלק, ורובם מאחסנים את גז המימן בגלילים בלחץ גבוה, בדומה לבלוני צלילה. טכנולוגיית ציפוי בסיבי פחמן מרוכבים יצרה מכלים חזקים וקלים שיכולים להכיל בבטחה מימן בלחצים שבין 350 ל-700 אטמוספרות [ראו תיבה למעלה]. עם זאת, הגברה פשוטה של הלחץ אינה מגדילה את צפיפות האנרגיה באותו יחס. אפילו בלחץ של 700 אטמוספרות, צפיפות האנרגיה הגבוהה ביותר שאפשר להשיג כיום במכלי לחץ גבוה (המאחסנים 39 גרם בליטר) היא כ-15% מתכולת האנרגיה של דלק באותו נפח. מכלי הלחץ הגבוה המצויים כיום יכולים להכיל רק כ-3.5% עד 4% של מימן ממשקלם. חברת פורד הציגה לאחרונה אבטיפוס של רכב שטח רב-תכליתי ששמו Edge, המוּנע באמצעות מערכת משולבת של מנוע היברידי נטען ותאי דלק. הרכב נושא מכל דלק המאחסן 4.5 קילוגרמים של מימן בלחץ של 350 אטמוספרות ומגיע לטווח מרבי כולל של 320 קילומטר.

השימוש במכלי לחץ גבוה מתקבל על הדעת בכמה יישומי תחבורה, כגון אוטובוסים וכלי רכב גדולים אחרים, שגודלם הפיזי מאפשר אחסון של די מימן, אך לא במכוניות פרטיות. כמו כן, מחיר המכלים האלה היום גבוה פי 10 מן המחיר התחרותי בשוק המכוניות.

הפיכת המימן המאוחסן לנוזלי יכולה לשפר את צפיפות האנרגיה שלו, מכיוון שהיא דוחסת יותר מימן ביחידת נפח מכל שיטה אחרת הידועה היום. כמו כל גז, מימן מתעבה לנוזל בטמפרטורה נמוכה דיה. בלחץ אטמוספרי מימן מתעבה בטמפרטורה של מינוס 253 מעלות צלסיוס. צפיפות החומר של מימן נוזלי היא 71 גרם לליטר, וצפיפות האנרגיה שלו היא כ-30% מזו של בנזין. צפיפות החומר שמערכות כאלה משיגות תלויה בשסתומים ובבידוד.

עם זאת, למימן נוזלי יש חסרונות מהותיים. ראשית, טמפרטורת הרתיחה הנמוכה שלו מחייבת ציוד לקירור עמוק ואמצעי זהירות מיוחדים לטיפול בטוח. כמו כן, מכיוון שהמכלים פועלים בטמפרטורה נמוכה מאוד, הבידוד שלהם חייב להיות מעולה. לבד מזה, ניזוּל מימן צורך יותר אנרגיה מדחיסתו בלחץ גבוה. הדבר מעלה את מחיר הדלק ומפחית את נצילות האנרגיה הכוללת של תהליך ההקפאה לטמפרטורה נמוכה.

אף על פי כן, יצרנית רכב אחת מעלה את הטכנולוגיה הזאת לכביש. חברת BMW הציגה השנה מכונית ששמה “Hydrogen 7″, הכוללת מנוע בעירה פנימית שיכול לשרוף בנזין ולנסוע למרחק של 500 קילומטר או לשרוף מימן נוזלי ולנסוע למרחק של 200 קילומטר. המכונית תימכר במהדורה מוגבלת ללקוחות נבחרים בארצות הברית ובמדינות אחרות, שיש להם גישה לתחנות מקומיות לתדלוק במימן.

דחיסה כימית

בחיפושיהם אחר דרכים מבטיחות להגביר את צפיפות האנרגיה, ייתכן שהמדענים יוכלו לנצל את הכימיה של המימן עצמו. במצב צבירה גזי או נוזלי, מכילה כל מולקולת מימן שני אטומים הקשורים זה לזה. אך כשאטומי המימן נקשרים בקשר כימי ליסודות מסוימים אחרים, אפשר לדחוס אותם בצפיפות גדולה עוד יותר מזו שבמימן נוזלי. המטרה העיקרית של המחקר העכשווי בתחום אחסון המימן היא למצוא את החומרים שמסוגלים לבצע את התעלול הזה.

כמה חוקרים מתמקדים בקבוצה של חומרים הקרויים הידרידים מתכתיים הפיכים, שהתגלו במקרה ב-1969 במעבדות פיליפס אינדהובן שבהולנד. החוקרים שם גילו שאם חושפים סגסוגת של סמריום וקובלט לגז מימן דחוס היא סופגת את המימן, קצת כמו ספוג שסופג מים. כשהסירו את הלחץ, השתחרר המימן מן הסגסוגת, או במילים אחרות, התהליך היה הפיך.

בעקבות התגלית הזאת החל מחקר נמרץ. בארה”ב, הובילו אותו המדענים ג'יימס ריילי מן המעבדה הלאומית ברוקהייבן וג'רי סנדרוק ממרכז המחקר והפיתוח אינקו בעיר סַפרֶן שבמדינת ניו יורק שפיתחו סגסוגות הידרידיות בעלות יכולת ספיגת מימן משופרת. עבודתם הראשונית יצרה את הבסיס לסוללות ניקל-מתכת-הידריד (Ni-MH) הנפוצות כיום. צפיפות המימן בסגסוגות אלה יכולה להיות גבוהה מאוד, 150% יותר מצפיפות מימן נוזלי, משום שאטומי המימן אצורים בתוך הסריגים המתכתיים הגבישיים בין אטומי המתכת.
רבות מן התכונות של ההידרידים המתכתיים מתאימות היטב לשימוש בכלי רכב. אפשר להשיג צפיפות העולה על זו של מימן נוזלי גם בלחצים נמוכים יחסית של 10 עד 100 אטמוספרות. ההידרידים המתכתיים הם גם יציבים מטבעם, כך שאינם דורשים אנרגיה נוספת לצורך האחסון המתמשך, אם כי נדרש חום כדי לשחרר את הגז האצור בהם. עקב האכילס שלהם הוא משקלם העולה על הסביר לאחסון מעשי במכוניות. עד כה הצליחו חוקרי ההידרידים המתכתיים להשיג קיבולת מימן מרבית של 2% מכלל משקל החומר. קיבולת זו מיתרגמת למערכת אחסון מימן במשקל של 450 קילוגרמים (למרחק נסיעה של 500 קילומטרים) – ללא ספק כבד מדי בשביל המכוניות של ימינו, שמשקלן כ-1,400 קילוגרם.

המחקרים היום בתחום ההידרידים המתכתיים מתמקדים בחומרים בעלי קיבולת מימן טבעית גבוהה. אחר כך מתאימים החוקרים את ההידרידים האלה כדי שיעמדו בדרישות של מערכות אחסון מימן: פעולה בטמפרטורה של כ-100°C, לחצים של 10 עד 100 אטמוספרות וקצב שחרור שיתמוך בתאוצה גבוהה. במקרים רבים, חומרים בעלי קיבולת שימושית של מימן הם קצת יותר מדי יציבים, ולכן הטמפרטורה הנדרשת לשחרור המימן מתוכם גבוהה במידה ניכרת מן הרצוי. מגנזיום, לדוגמה, יוצר מגנזיום הידריד שתכולת המימן המשקלית שלו היא 7.6%, אך יש לחממו לטמפרטורה של 350°C כדי שהמימן ישתחרר. אם רוצים שבפועל המערכת תנצל את החום העודף שנפלט ממערך תאי הדלק (כ-80°C) לשחרור המימן מן ההידריד המתכתי, טמפרטורת הסף חייבת להיות נמוכה יותר.

הידרידים מעורערים

הכימאים ג'ון ג'יי ואחו וגרגורי ל' אולסון ממעבדות המחקר על שם יוז (HRL) במאליבו שבקליפורניה, וכן חוקרים במקומות אחרים, בוחנים גישה מתוחכמת להתגברות על בעיית הטמפרטורה. ה”הידרידים המעוררים” (Destabilized hydrides) שלהם משלבים כמה חומרים כדי לשנות את מסלול התגובה הכימית כך שהתרכובות הנוצרות ישחררו את הגז בטמפרטורות נמוכות יותר.

הידרידים מעורערים הם חלק מקבוצה של חומרים מכילי-מימן הקרויים הידרידים מורכבים (complex hydrides). זה זמן רב סברו הכימאים שרבות מן התרכובות האלה אינן יעילות לצורך תדלוק רכבים, מפני שהן אינן הפיכות – מרגע שהשתחרר המימן והתרכובת התפרקה, יש צורך בתהליך מִחזור שיביא אותה מחדש למצב מכיל מימן. עם זאת, הכימאים בוריסלב בוגדנוביץ' ומנפרד שוויקרדי ממכון מקס פלנק לחקר הפחם במולהיים שבגרמניה הדהימו את קהיליית מחקר ההידרידים ב-1996, כשהדגימו כיצד ההידריד המורכב נתרן אַלַנַט נעשה הידריד הפיך כשמוסיפים לו כמות קטנה של טיטניום. מחקר זה הוביל לפרץ של פעילות במהלך העשור האחרון. לדוגמה, התרכובת ליתיום בורו-הידריד שמדעני HRL ערערו את יציבותה באמצעות הוספה של מגנזיום הידריד, אוגרת מימן בקישור הפיך בשיעור של כ-9% ממשקלה ומשחררת אותו בטמפרטורה של כ-200°C.זהו שיפור ראוי לציון, אם כי טמפרטורת ההפעלה עדיין גבוהה מדי וקצב שחרור המימן אִטי מדי בשביל יישומי רכב. ועם זאת, מדובר במחקר מבטיח.

על אף מגבלותיהם של ההידרידים המתכתיים האלה, רואים בהם יצרני רכב רבים את הגישה המעשית ביותר לאחסון מימן בלחץ נמוך בעתיד הקרוב והבינוני. לדוגמה, המהנדסים של טויוטה ושל הונדה מתכננים מערכת ב”גישת כלאיים” המשלבת הידריד מתכתי מוצק בלחץ מתון (הרבה פחות מ-700 אטמוספרות), והם צופים שתשיג טווח נסיעה של יותר מ-500 קילומטר לתדלוק. בג'נרל מוטורס עובדים צוותים של מומחי אחסון, בהם סקוט יורגנסן, שתומכים במחקרים שנעשים על מגוון רחב של מערכות הידריד מתכתי בכל העולם (ובכלל זה ברוסיה, בקנדה ובסינגפור). ג'נרל מוטורס משתפת פעולה גם עם המעבדות הלאומיות סנדיה שבארה”ב במחקר בן ארבע שנים ובתקציב של 10 מיליוני דולרים לבניית אבטיפוס של מערכת הידריד מתכתי מורכב.

נשאי מימן

יש אפשרויות אחרות לאחסון מימן, בעלות יכולת מבטיחה לפעול היטב במכוניות, אך הן לוקות בחיסרון בתחום התדלוק מחדש. ככלל, הידרידים כימיים אלה זקוקים למִחזור תעשייתי של התרכובת שנוצלה. שלב המחזור חייב להיעשות מחוץ לרכב. כלומר, לאחר שנוצל מאגר המימן ברכב, צריך לאסוף את תוצרי הלוואי בתחנת שירות ולמחזר אותו במפעל כימי. לפני יותר מ-20 שנה בחנו חוקרים יפנים את הגישה הזו תוך שימוש, לדוגמה, במערכת דֶקַלין-נַפתַלֵן. כשמחממים את התרכובת דֶקַלין (שנוסחתה C10H18) היא הופכת בתגובה כימית לנַפתַלֵן (תרכובת בעלת ריח חריף שנוסחתה C10H8) ומשחררת חמש מולקולות מימן תוך כדי שינוי טבעם של הקשרים הכימיים שלה. גז המימן פשוט מבעבע מתוך הדקלין הנוזלי בשעה שהוא הופך לנפתלן. חשיפה של נפתלן למימן בלחץ מתון הופכת את התהליך. הנפתלן מגיב עם המימן והופך לדקלין (שתכולת המימן המשתחרר ממנו היא 7.2% משקליים). הכימאים החוקרים אלן קופר וגידו פז מחברת Air Products and Chemicals באלנטאון שבפנסילבניה בוחנים טכניקה דומה, שמשתמשת בנוזלים אורגניים (המבוססים על פחמימנים). מדענים אחרים, בהם ס' תומס אוטריי ועמיתיו במעבדה הלאומית האמריקנית פסיפיק נורת'-וסט והפרופסור לכימיה לארי ג' סנדון מאוניברסיטת פנסילבניה, שוקדים על נשאי מימן נוזליים חדשים, כגון אמינובוראנים, שיכולים לאחסן כמויות גדולות של מימן ולשחרר אותו בטמפרטורות מתונות.

חומרים מעוצבים

גישה נוספת לבעיית אחסון המימן מתמקדת בחומרים קלים בעלי שטח פנים גדול מאוד, שאליו נדבקות (או נספחות) מולקולות מימן. כפי שאפשר לצפות, כמות המימן שאפשר לאחסן על פני משטח כלשהו תואמת לשטח הפנים של החומר. פיתוחים עדכניים בהנדסה בקנה מידה ננומטרי יצרו מגוון חומרים חדשים בעלי שטח פנים גדול, שמגיע בכמה מהם ליותר מ-5,000 מטרים רבועים לגרם אחד של חומר (או שטח פנים של 12 דונם בכפית אחת של אבקה). חומרים מבוססי פחמן הם מעניינים במיוחד משום שהם קלים, עשויים להיות זולים ואפשר ליצור מהם מגוון של מבנים ננומטריים: צינוריות-ננו פחמניות, קרני-ננו (שפופרות דמויות קרניים), פוּלֶרֶנים (מולקולות דמויות כדור) וארוג'ל (מוצקים נקבוביים במיוחד). פחם פעיל, חומר זול באופן יחסי, יכול לאחסן עד 5% משקליים של מימן.

עם זאת, לכל מבני הפחמן האלה יש מגבלה משותפת. מולקולות המימן יוצרות קשרים חלשים מאוד עם אטומי הפחמן, ופירוש הדבר שיש להחזיק את החומרים בעלי שטח הפנים העצום בטמפרטורות קרובות לזו של חנקן נוזלי, כלומר מינוס 196 מעלות צלסיוס. בניגוד למחקר ההידרידים, שבו נאבקים החוקרים להוריד את אנרגיית הקישור למימן, חוקרי הפחמן בוחנים דרכים להעלות את אנרגיית הקשר על ידי שינוי מבנה או על ידי הוספת כמויות קטנות של מתכות שעשויות לשנות את תכונות פני השטח. חוקרים אלה בוחנים הדמיות תיאורטיות של מבני פחמן כדי לגלות מערכות מבטיחות לצורך מחקר מעמיק יותר.

מלבד הגישות מבוססות הפחמן, גישה מרתקת אחרת בהנדסה ננומטרית עוסקת בקבוצת חומרים הקרויים חומרים מתכתיים-אורגניים. לפני כמה שנים המציא עומאר יאגי, פרופסור לכימיה שהיה באותה תקופה באוניברסיטת מישיגן באן הרבור וכעת באוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס, את תרכובות השלד המתכתיות-אורגניות (MOFs). יאגי ועמיתיו הראו שאפשר להפיק סוג זה של חומרים גבישיים ונקבוביים מאוד על ידי קישור של תרכובות אנאורגניות עם “תומכות” אורגניות. לתרכובות ה-MOF הנוצרות יש מבנה המושך את העין ותכונות פיזיקליות, שאפשר לשלוט בהן כדי להעניק לחומר תפקודים רצויים שונים ומגוונים. שטח הפנים של מבנים מורכבים אלה עשוי להיות גדול מאוד (עד 5,500 מטרים רבועים לגרם אחד), והחוקרים מסוגלים לבנות על פניהם אתרים כימיים לקשירה מיטבית של מימן. נכון להיום, החוקרים הצליחו להדגים תרכובות MOF שמסוגלות לאחסן 7% משקליים של מימן בטמפרטורה של מינוס 196 מעלות צלסיוס, והם ממשיכים לעבוד על שיפור הביצועים האלה.

אף על פי שההתקדמות הנוכחית בשיטות לאחסון מימן מעודדת, מציאת הגישה ה”מושלמת” עשויה לארוך זמן רב ולדרוש מאמצי מחקר ופיתוח ממושכים וחדשניים. במשך מאות שנים, ההבטחה – והאתגר – הבסיסיים של השימוש במימן לצורך תחבורה נותרו למעשה ללא שינוי. אחסון המימן במכל קל ושימושי אִפשר בעשורים האחרונים של המאה ה-18 לז'ק שארל לחצות את השמים בבלון שלו. בדומה לכך, מציאת מכל מתאים לאחסון מימן במכוניות יאפשר לאנשים לנוע בכל רחבי העולם בעשורים הבאים של המאה ה-21, בלי לזהם את השמים שמעליהם.

סקירה כללית/ אחסון מימן
אחד המכשולים הגדולים ביותר העומדים בפני המהנדסים של רכבי תאי הדלק העתידיים, הוא כיצד לדחוס די מימן במכל הדלק כדי לאפשר למכונית לנסוע למרחק של 500 קילומטרים לפחות, כפי שדורשים הנהגים.
בדרך כלל, דוחסים את המימן למכלים בלחץ גבוה ובטמפרטורת הסביבה, אך המכלים אינם מכילים את הכמות הדרושה של גז דחוס. מערכות של מימן נוזלי, הפועלות בטמפרטורות נמוכות מאוד, לוקות גם הן בחסרונות ניכרים.
כיום מפתחים כמה טכנולוגיות חלופיות לאחסון מימן בצפיפות גבוהה, אך נכון לעכשיו, אף אחת מהן אינה עומדת באתגר.

אתגר אחסון המימן
מערכת לאחסון מימן חייבת לשאת די דלק לנסיעה של 500 קילומטרים לפחות, ולהיות קטנה וקלה דיה לנשיאה במכונית. אם עד 2010 יפתחו מערכת שהמימן יתפוס 6% ממשקלה ושתצליח לדחוס 45 גרם מימן בכל ליטר, היא תעמוד, ככל הנראה, בדרישות הדור הראשון של כלי רכב המונעים באמצעות תאי דלק (המטרה השחורה בגרף הראשון). אף אחת מן המערכות הפועלות היום אינה עומדת בכך. עד שנת 2015 יידרשו ביצועים טובים עוד יותר מפני שמגוון כלי הרכב שיהיו זמינים אז יהיה רחב יותר. יש לשים לב שהערכים המופיעים בגרף כוללים גם את נפח הציוד הדרוש להפעלת כל מערכת. צפיפותו של מימן נוזלי טהור, לדוגמה, היא 71 גרם לליטר, אך כשכוללים את המכל ואת ציוד העזר, קיבולת הנפח צונחת למעט פחות מ- 40 גרם לליטר. מכיוון שסופחי המימן מצויים עדיין בשלב מוקדם של פיתוח, נתוני הקיבולת והמחיר שלהם אינם זמינים.

על המחברים
סוניטה סטיאפאל (Satyapal), ג'ון פטרוביץ' (Petrovic) וג'ורג' תומס (Thomas) עובדים בתכנית היישומית למחקר ולפיתוח של טכנולוגיות אחסון מימן במשרד האנרגיה של ארה”ב. סטיאפאל, שהחזיקה במשרות שונות באקדמיה ובתעשייה, היא מנהלת צוות מו”פ לאחסון יישומי של מימן במשרד האנרגיה. פטרוביץ' הוא חבר (בגמלאות) במעבדה הלאומית האמריקנית בלוס אלמוס, יועץ של משרד האנרגיה וחבר באגודת החומרים הקרמיים האמריקנית ובאגודה האמריקנית הבין-לאומית לחומרים. לתומס, המשמש כעת כיועץ במשרד האנרגיה, יש 30 שנות ניסיון בחקר השפעות המימן על מתכות במעבדות הלאומיות סנדיה שבארה”ב. הדעות המוצגות במאמר הן דעותיהם של המחברים בלבד; אין הן משקפות את עמדות משרד האנרגיה של ארה”ב.

ועוד בנושא

The Hydrogen
Economy: Opportunities, Costs, Barriers, and R&D Needs. National Research Council and National Academy of Engineering. National Academies Press, 2004.
www.nap.edu/
catalog.php?record-id=10922

Hydrogen Program: 2006 Annual Merit Review Proceedings. U.S. Department of Energy.
www.hydrogen
.energy.gov/annual-review06-proceedings.html

המועצה למחקרי רכב של ארה”ב: www.uscar.org

הסכם יישום המימן של סוכנות האנרגיה הבין-לאומית: www.ieahia.org

השותפות הבין-לאומית למשק המימן:www.iphe.net