חומרים חדשים הממירים מים לדלק

בעזרת שילוב של גישות מחשוביות וביצוע ניסויים במעבדה, חוקרים זיהו שנים עשר חומרים חדשים בעלי פוטנציאל לשמש בפיתוח של דלק סולארי.

החוקרים, מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה (קלטק) ומהמעבדה הלאומית לורנס ברקלי, הצליחו, תוך שנתיים בלבד, להכפיל כמעט את מספר החומרים הידועים כבעלי פוטנציאל לשמש בפיתוח של דלק סולארי. הם הצליחו בכך באמצעות פיתוח תהליך המאפשר האצת הגילוי של דלקים סולאריים בעלי ישימות מסחרית שיוכלו להחליף צורות דלק אחרות כגון פחם, נפט וכדומה. דלקים סולאריים, היעד המחקרי הראשון במעלתו בתחום של אנרגיה נקייה, מתקבלים מתוך שלושה מקורות בלבד: אור השמש, מים ופחמן דו-חמצני. חוקרים בודקים מגוון של דלקים אפשריים, החל מגז מימן וכלה בפחמימנים נוזליים, תוך קבלת דלק מפרוק של מולקולות מים. כל מולקולת מים מורכבת מאטום חמצן אחד ומשני אטומי מימן. אטומי המימן ניתקים מהמולקולה ואז ניתן לחברם מחדש ליצירת גז מימן דליק מאוד או לקשור אותם לפחמן דו-חמצני לקבלת פחמימנים, זאת תוך השגת שפע של מקורות אנרגיה מתחדשים. הבעיה טמונה בעובדה כי מולקולות המים אינן מתפרקות כאשר קרני השמש פוגעות בהן – אם אכן זה היה כך, הרי שהאוקיאנוסים מעולם לא היו מכסים את מרבית פני השטח של כדור הארץ. כדי לפרק את מולקולת המים יש צורך בעזרה – בזרז (קטליזטור) המופעל על ידי אור השמש.

בכדי ליצור דלקים סולאריים שימושיים, מדענים מנסים לפתח חומרים זולים ויעילים, המכונים בשם פוטואנודות, התקנים המסוגלים לבקע מים בעזרת אור נראה כמקור האנרגיה. במהלך ארבעת העשורים שעברו, חוקרים הצליחו לזהות רק 16 חומרים שכאלו. כעת, בעזרת שיטה חדשנית לזיהוי חומרים חדשים, צוות חוקרים ממכון קלטק מצא 12 פוטואנודות בעלות פוטנציאל גבוה. ממצאי המחקר פורסמו זה מכבר בכתב העת המדעי Proceedings of the National Academy of Sciences. “החשיבות של המחקר שלנו, המשלב בתוכו תיאוריה וניסויים יחדיו, טמונה בכך שבנוסף לזיהוי מספר תרכובות חדשות שתוכלנה לשמש ביישומים של דלק סולארי, הצלחנו גם ללמוד משהו חדש אודות המבנה האלקטרוני של החומרים הללו,” מוסיף ואומר החוקר הראשי.

תהליכים קודמים לגילוי חומרים הסתמכו על בחינה דקדקנית ומסורבלת של תרכובות פרטניות על מנת לקבוע את הפוטנציאל שלהן לשימוש ביישומים מוגדרים. בתהליך החדש לעומת זאת, החוקרים שילבו גישות של מחשוב יחד עם ניסויים מעשיים – תחילה, סריקה של מסדי נתונים של חומרים על מנת למצוא את החומרים בעלי התכונות הרצויות, ובשלב הבא בדיקת התרכובות המבטיחות ביותר במסגרת ניסויים במעבדה. במסגרת מחקר זה, המדענים סרקו 174 תרכובות המכילות את המתכת ואנדיום יחד עם אטומי חמצן ועוד יסוד מהטבלה המחזורית. הודות לגישה זו, החוקרים גילו כיצד אפשרויות משתנות של היסוד השלישי, מלבד ואנדיום וחמצן, יכולות ליצור חומרים בעלי תכונות שונות, וכיצד ניתן לכוונן את התכונות הללו בכדי להשיג פוטואנודות יעילות יותר. “ההתקדמות העיקרית שתרמנו הייתה לשלב את היכולות הטובות ביותר מתוך תיאוריה ומחשבי-על יחד עם ניסויים חדשניים על מנת לייצר ידע מדעי בקצב יוצא מן הכלל,” אומר החוקר הראשי.

תקציר המאמר

המאמר המלא