צמחים מצטיינים במשימה שמדענים ומהנדסים מתאמצים לבצעה מזה עשורים: המרה של אור השמש לאנרגיה אגורה, באופן אמין יום אחר יום, שנה אחר שנה. כעת, מספר מדענים מאוניברסיטת MIT הצליחו לחקות היבט מפתח של תהליך זה.
אחת מהבעיות בניצול אור השמש היא שקרני השמש עלולות להיות הרסניות לחומרים רבים וגורמות לפרוק הדרגתי של מערכות שנועדו בדיוק לשם כך. אולם, צמחים פיתחו לעצמם אסטרטגיה מעניינת בכדי לטפל בסוגיה זו: הם מפרקים באופן תדיר את הפרודות קולטות-האור שלהם ומרכיבים אותן מחדש שוב ושוב, כך שהמבנים הבסיסיים האחראיים ללכידת אנרגית האור הם, למעשה, חדשים לגמרי.
Michael Strano, פרופסור להנדסה כימית, הצליח כעת לחקות את התהליך הזה. צוות המחקר שלו הכין סדרה חדשה של פרודות המתארגנות-בעצמן המסוגלות להמיר אור-שמש לחשמל; הפרודות ניתנות לפרוק ולהרכבה מחדש במהירות שוב ושוב, פשוט ע”י הוספה או הרחקה של תמיסה נוספת. ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Nature Chemistry.
החוקר הראשי מציין כי הרעיון עלה במוחו לראשונה כאשר הוא קרא חומר בנושא ביולוגיית צמחים. “התפעלתי עמוקות מהדרך שבה תאי הצמחים פיתחו את מנגנון התיקון היעיל מאוד הזה,” הוא אומר. ביום קיצי, “עלה של עץ מסוגל למחזר את החלבונים שבו מדי ארבעים וחמש דקות, למרות שניתן לראות בו פוטו-תא סטטי.”
אחד מיעדי המחקר ארוכי-הטווח של המדען היה מציאת דרכים לחיקוי עקרונות המצויים בטבע באמצעות ננו-רכיבים. במקרה של הפרודות המשמשות בתהליך הפוטוסינתזה שבצמחים, הצורון הפעיל של החמצן, הנוצר ע”י אור-השמש, גורם לחלבונים להתפרק באופן מדויק מאוד. כתיאורו של החוקר הראשי: “החמצן פורם את הקשרים השומרים על החלבונים יחדיו,” אולם אותם החלבונים ממש מתארגנים מחדש במהירות לאתחול התהליך. פעולה זו מתרחשת בתוככי גופיפים זערוריים המכונים כלורופלאסטים המצויים בכל תא צמחי – שם מתרחשת הפוטוסינתזה. הכלורופלסט (הערך בוויקיפדיה) הינו “מכונה מדהימה”, אומר החוקר. “הם מהווים מנועים מצטיינים הצורכים פחמן דו-חמצני ומשתמשים באור בכדי להפיק גלוקוזה (פרודת סוכר עתירת-אנרגיה),” חומר המספק אנרגיה עבור חילוף-החומרים.
בכדי לחקות את התהליך הזה, צוות החוקרים הכין פרודות סינתטיות מסוג פוספוליפידים בצורת דסקות; דסקות אלה מספקות תמיכה מבנית לפרודות אחרות המגיבות לקרינת האור, והמצויות במערכים המכונים מרכזי תגובה, אשר משחררים אלקטרונים בתגובה לחלקיקי אור הפוגעים בהם. הדסקות, שבתוכן מצויים מרכזי התגובה, נמצאות בתמיסה שבה הן מתארגנות באופן עצמאי לכדי ננו-שפופרות פחמן – שפופרות חלולות של פחמן בעובי זעיר שהינן חזקות יותר מפלדה ומוליכות חשמל טוב יותר מאשר נחושת. ננו-השפופרות מחזיקות את דסקות הפוספוליפידים במערך מסודר כך שכל מרכזי התגובה ייחשפו לקרינת השמש בה בעת, וכן הם משמשות גם כתילים האוספים ומתעלים את זרם האלקטרונים המשתחררים מהפרודות הפעילות.
המערכת שהוכנה מורכבת משבעה סוגים שונים של פרודות, בכללן ננו-הצינורות, הפוספוליפידים, והחלבונים המרכיבים את מרכזי התגובה, אשר בתנאים מתאימים מתארגנות באופן עצמאי למבנה לוכד-אור המפיק זרם חשמלי. החוקר הראשי סבור כי מערך זה מחזיק בשיא למורכבות של מערכת התארגנות-עצמית. כאשר חומר פעיל-שטח, חומר הדומה לכימיקלים שבהם משתמשת חברת BP בכדי לפרק את הנפט שזלג למפרץ מכסיקו – מוסף לתערובת, שבעת המרכיבים נפרדים ומניבים תמיסה סבונית. בשלב הבא, כאשר החוקרים מרחיקים את החומר פעיל-השטח באמצעות דחיקת התמיסה דרך קרומית סינון, התרכובות מתארגנות יחדיו שוב באופן עצמאי ומושלם לכדי פוטו-תא מחודש.
“אנו בעצם מחקים את התחבולות שהטבע גילה לפני מיליוני שנים, ובמיוחד את רעיון ההפיכות – היכולת לפרק ולהרכיב מחדש,” מסביר החוקר הראשי. המערכת הייתה במקורה רעיון תיאורטי לחלוטין, אך אז החליטו החוקרים לבנות תא אב-טיפוס בכדי לבחון אותו. הם הפעילו את התא במחזורים חוזרים ונשנים של פירוק והרכבה במשך ארבע-עשרה שעות – ללא אובדן ביעילות התא.
החוקר הראשי מסביר כי בתכנון מערכות חדשניות להפקת חשמל מאור-השמש, חוקרים אינם בוחנים לעיתים קרובות כיצד משתנה המערכת עם הזמן. עבור תאים פוטווולטאים רגילים המבוססים על צורן, אומנם קיים שיעור נמוך של פירוק עם הזמן, אולם עבור מערכות חדשניות רבות המפותחות היום – אם בשל עלויות נמוכות יותר, יעילות/גמישות מוגברת או תכונות משופרות אחרות – הפירוק עלול להיות גורם משמעותי ביותר. “בדר”כ ניתן להבחין לאחר כשישים שעות בצניחת היעילות לכדי עשרה אחוזים בלבד מהערך המקורי,” אומר החוקר.
יעילות התגובות הנפרדות של מבנים מולקולאריים חדשניים אלו בהמרת אור-השמש מגיעה לכדי ארבעים אחוזים – שהם כפליים מאחוזי היעילות הקיימים היום בתאים הסולאריים המסחריים הטובים ביותר. באופן תיאורטי, יעילות המבנים החדשים עשויה להיות קרובה למאה אחוזים, טוען החוקר. אולם, במחקר הראשוני ריכוז המבנים שבתמיסה היה נמוך, כך שהניצולת הכללית של ההתקן – כמות החשמל המופקת משטח נתון – הייתה נמוכה מאוד. החוקרים עובדים כעת למציאת דרכים להגברה משמעותית של הריכוז.
