גדילתם של צמחים נראית לנו לפעמים כמו קסם. שתיל יכול לצמוח, להוציא עלים, פרחים ופירות ולהפוך לשיח או לעץ גדול כשכמעט כל מה שעומד לרשותו זה אור שמש ומעט מים. הצמחים גדלים בזכות היכולת שלהם לעשות פוטוסינתזה: להשתמש באנרגיה של אור השמש ובמולקולות המים על מנת להפוך פחמן דו-חמצני לפחמימות ולחומרים שמהם הם בונים את גופם. יכולת זו אומנם מאפיינת צמחים, אך בשנים האחרונות מתבצעים מאמצים לפתח טכנולוגיות שיאפשרו גם לאדם להשתמש בה לצרכיו. במחקר חדש הצליחו מדענים ליצור מכשיר שמבצע פוטוסינתזה באופן מלאכותי – ושממיר פחמן דו-חמצני ומים באמצעות אור השמש לדלק ידידותי לסביבה.
פוטוסינתזה מתבצעת בטבע על ידי צמחים ואצות, וכן על ידי סוגים מסוימים של חיידקים פוטו-סינתטיים (ציאנובקטריות). בצמחים, התהליך מתרחש בדרך כלל בתוך העלים, באברון בשם כלורופלסט, המכיל את הפיגמט כלורופיל, שהוא זה שנותן לעלה את צבעו הירוק. הצמח קולט מים, פחמן דו-חמצני ואור, מייצר מהם סוכרים ופולט חמצן כתוצר לוואי של התהליך.
הרעיון לבצע פוטוסינתזה באמצעות טכנולוגיות אנושיות עלה לראשונה כבר ב-1912, על ידי הכימאי האיטלקי ג'יאקומו צ'יאמיצ'ן, והמחקר בנושא זכה לתאוצה במהלך המאה ה-21. "פוטוסינתזה מלאכותית היא תחום מדעי שלם ומרגש מאוד", אומר פרופ' אלכס גולברג מבית הספר ללימודי הסביבה ע"ש פורטר באוניברסיטת תל אביב.
להפחית את ריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה
לפוטוסינתזה מלאכותית יש יתרונות רבים. התהליך עשוי לאפשר את ייצורם של דלקים נקיים יותר מדלקי המאובנים שבהם נעשה שימוש רחב כיום, שבשריפתם נפלטות כמויות משמעותיות של גזי חממה שמחריפות את משבר האקלים.
בנוסף, הטכנולוגיה עשויה גם להועיל בהתמודדות עם אחד הקשיים המרכזיים שקיימים כיום בעולם האנרגיה הסולארית - הצורך לשפר את היקף ויכולת אגירת האנרגיה שמיוצרת באמצעות הפאנלים הסולאריים שמוצבים כיום בשטחים הפתוחים ועל מבנים, כך שאפשר יהיה להסתמך על אנרגיה סולארית גם בלילה, בימים מעוננים ובחורף. דלק ממקור מתחדש שאפשר לאחסן עשוי לסייע בפתרון הבעיה.
מעבר לכך, ביצוע פוטוסינתזה באופן מלאכותי עשוי לתרום להפחתת ריכוזו באטמוספרה של הפחמן הדו-חמצני, שהוא גז החממה המרכזי שמשפיע על שינוי האקלים. בתהליך הפוטוסינתזה הטבעי, פחמן דו-חמצני מהאוויר משמש את הצמח לבניית מולקולות הסוכר, כך שעל כל מולקולת סוכר (גלוקוז) שנוצרת מסולקות מן האטמוספרה שש מולקולות של פחמן דו-חמצני. הגלוקוז לרוב נאגר בצמחים כפולימר - עמילן או תאית. למעשה, פוטוסינתזה היא הסיבה לכך שכמעט 30 אחוז מהפחמן הדו-חמצני שנפלט בעולם מדי שנה כתוצאה משריפת דלקי מאובנים נספג על ידי צמחים.
"פוטוסינתזה מלאכותית מאפשרת לקחת פחמן דו-חמצני מהאוויר ולהפוך אותו למולקולות אורגניות", אומר גולברג. לדבריו, כיום אנחנו יודעים לבצע רק את התהליך ההפוך – שריפת דלקי מאובנים, שבה כאמור פחמן דו-חמצני נפלט. "זה חשוב, זו התקדמות טובה", הוא אומר.
פוטוסינתזה אלחוטית
המכשיר הזעיר (6 סנטימטרים על 5.7 סנטימטרים) שפותח במסגרת המחקר החדש, שהתבצע בשיתוף פעולה בין חוקרים מאוניברסיטת קיימברידג' ומאוניברסיטת טוקיו ושממצאיו פורסמו לאחרונה בכתב העת Nature Energy, הוא אלחוטי, והוא מייצר דלק מפחמן דו-חמצני ומים באמצעות האנרגיה של קרינת השמש, ללא שימוש בחשמל או בחומרים נוספים.
תהליך יצירת הדלק מתבצע באמצעות זרזים (קטליזטורים) מתאימים. "מדובר בחומרים כימיים שעוברים אקטיבציה כשהם נחשפים לאנרגיית שמש, וברגע שפחמן דו-חמצני מתקרב אליהם מתרחשות על פני השטח שלהם תגובות כימיות שהופכות את הפחמן הדו-חמצני למולקולות אחרות", מסביר גולברג.
הזרזים שבהם משתמשים החוקרים מבוססים על המינרל קובלט, ולטענתם הם פשוטים להכנה ויציבים למדי. הם מקובעים על יריעה שעשויה מאבקות של מוליכים למחצה (חומרים שנמצאים בטווח שבין חומרים מוליכים חשמלית לבין חומרים מבודדים, ושלהם שימושים רבים באלקטרוניקה) – שהכנתן, לדברי החוקרים, היא קלה ומשתלמת כלכלית.
בסופו של התהליך נוצרת חומצה פורמית, חומר שקיים בטבע בעקיצותיהן ונשיכותיהן של נמלים ודבורים ושמשמש בין השאר בחקלאות כחומר משמר וכחומר הדברה, וכן משתחרר תוצר לוואי- חמצן. "חומצה פורמית היא מולקולה מקדימה – כלומר, אפשר לייצר ממנה מולקולות אחרות עם תכונות שונות ומשונות", אומר גולברג. "זה כולל מולקולות אנרגטיות, שאפשר לשרוף, ושיהיו כמו דלקים".
בנוסף, אפשר להשתמש בחומצה הפורמית ישירות, בלי לייצר ממנה קודם חומר אחר, באמצעות תאי דלק – התקנים שממירים אנרגיה שטמונה בתרכובות כימיות לזרם חשמלי.
כמעט ללא תוצרי לוואי
אחד הקשיים העיקריים בפיתוח פוטוסינתזה מלאכותית הוא היווצרותם של חומרי פסולת רבים בתהליך. על פי החוקרים, הדבר לא מהווה בעיה של ממש בפיתוח החדש. "הופתענו לגלות עד כמה התהליך שפיתחנו בררני – כמעט ולא הופקו במהלכו תוצרי לוואי", אומר ד"ר צ'יאן וואנג מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת קיימברידג', מצוות המחקר החדש. "זה היה מקרה נדיר שבו דברים עבדו טוב יותר מהצפוי".
בנוסף, פעמים רבות הדלקים שנוצרים כתוצאה מפוטוסינתזה מלאכותית הם גזים, ולכן קשה לאחסן ולשנע אותם ממקום למקום – בעוד החומצה הפורמית היא נוזלית וקלה יותר לאחסון.
גודלו של המכשיר שבנו החוקרים הוא כ-34 סנטימטר רבועים מתוכם כ-20 סנטימטרים רבועים של משטח פעיל המבצע פוטוסינתזה מלאכותית, אך לדבריהם ניתן יהיה לייצר אותו בקלות יחסית גם בגודל של כמה מטרים רבועים, ולבנות "חוות" שייצרו אנרגיה, בדומה לחוות הפאנלים הסולאריים שקיימות כיום. כמובן שעד שהטכנולוגיה תבשיל למוצר בגודל של מטרים רבועים ובייצור המוני, נדרשת הוכחת הייתכנות מעשית וכלכלית של המערכת הזו ויש לחוקרים עוד עבודה רבה לפניהם.
בשנה שעברה פיתח צוות החוקרים מכשיר אחר, שמבצע גם הוא פוטוסינתזה מלאכותית, ושזכה לכינוי "artificial leaf" ("עלה מלאכותי"). בדומה לפיתוח החדש, גם העלה המלאכותי ייצר דלק מאור שמש, פחמן דו-חמצני ומים, אך הדלק שהופק בתהליך היה סינגז – דלק גזי, שמטבעו קשה יותר לאחסון. בנוסף, מנגנון הפעולה של העלה המלאכותי היה אחר, והוא כלל בין השאר רכיבים של פאנלים סולאריים, שבהם אין צורך בפיתוח החדש.
הפקה מעשית ובת-קיימא של דלק סולארי
כיום ממשיכים החוקרים לשפר את הפיתוח החדש, במטרה להפוך אותו ליעיל יותר ולאפשר את השימוש בו בקנה מידה רחב. הם בוחנים טווח רחב של זרזים שונים שיכולים לשמש לביצוע פוטוסינתזה מלאכותית, במטרה לשפר את היציבות והיעילות של הפיתוח, וכן להפיק סוגים שונים של דלקים. "אנחנו מקווים שהטכנולוגיה הזו תסלול את הדרך להפקה מעשית ובת-קיימא של דלק סולארי", סיכם פרופ' ארווין רייזנר מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת קיימברידג', מצוות המחקר.
