הפרד ומשול:
להפיק מימן ממים

גז המימן (H₂) הוא מקור אנרגיה נקי במיוחד, מכיוון ששריפה שלו משחררת לאוויר רק אדי מים. בנוסף הוא משמש לשלל תהליכים כימיים, כגון ייצור סינתטי של אמוניה בתהליך הבר-בוש. התפוקה העולמית של מימן היא מאות מיליוני טונות בשנה, יותר מ-90 אחוז ממנה מגיעה מדלקי מחצבים, כמו נפט. התהליך הזה מוביל לפליטה של מאות מיליוני טונות גזי פחמן בשנה - כשני אחוז מכלל פליטות הפחמן שנובעות מפעילות האדם. לכן פיתוח תהליך נקי, זול ויעיל להפקת מימן הוא צו השעה.

קבוצת חוקרים מהטכניון, בהובלת אבנר רוטשילד וגדעון גריידר מהמחלקה לחומרים והנדסה ובשיתוף חן דותן, אביגיל לנדמן ועמיתיהם  פיתחו שיטה חדשה, זולה, פשוטה לתפעול, נקייה ויעילה במיוחד להפקת גז מימן ממים, בעזרת "פיצול מים". ממצאיהם פורסמו לאחרונה בכתב העת Nature Energy.

השיטה החדשה שפותחה בטכניון: הפרדה מוחלטת בין הפקת החמצן (מימין) להפקת המימן (משמאל) | איור: הטכניון

הרשות המימנית והרשות החמצנית

פיצול מים אינו שיטה חדשה. כדי להפריד את אטומי המימן מהחמצן נעזרים בתא חשמלי-כימי הבנוי בדומה לסוללה, עם קצה אחד טעון במטען חשמלי חיובי (אנודה) וקצה שני בעל מטען שלילי (קתודה), עם מחיצה ביניהם. כשמזרימים חשמל במערכת אפשר לפרק כך את המים לאטומי המימן והחמצן שמרכיבים אותם.

אולם השחרור של מימן וחמצן בו-זמנית עלול לגרום לגזים הללו להתערבב ולהגיב זה עם זה בצורה מסוכנת. בנוסף, המחיצה שמפרידה בין שני צידי המערכת אינה פשוטה לתפעול ומייקרת את התהליך. בשל כך, גם בגרסאות היעילות ביותר שלה, השיטה הזאת מאפשרת ניצולת של כ-75 אחוז בלבד מהאנרגיה שמשקיעים בתהליך.

כדי להתגבר על הבעיות הללו פיתחו החוקרים מהטכניון תא חשמלי-כימי שבו שחרור המימן והחמצן אינו מתבצע בו-זמנית, ואין בכלל צורך במחיצה. האנודה של התא דמוי הסוללה מורכבת מניקל הידרוקסיד ( Ni(OH)₂), שהוא רכיב נפוץ בסוללות נטענות היכול להגיב עם  כמות גדולה של אטומים בעלי מטען שלילי (יונים שליליים).

התא החדש פועל בשני שלבים. ראשית מזרימים אלקטרונים לקתודה למשך זמן מה, בתהליך שמוביל לפיצול המים ולשחרור של גז מימן. בניגוד לשיטה המסורתית, בשלב הזה לא משתחרר חמצן מהמערכת. יוני הידרוקסיד (^-OH) הטעונים במטען חשמלי שלילי, שהם התוצר שנותר מהמים אחרי פליטת אטום אחד של מימן, עוברים לאלקטרודת הניקל ומחמצנים אותה.

בשלב מסוים אלקטרודת הניקל אינה יכולה להתחמצן יותר והזרם החשמלי נעצר. ואז, בשלב השני, מנתקים את מקור הזרם ומחממים את המערכת ל-95 מעלות צלזיוס. החימום מוביל לשחרור ספונטני של חמצן מאלקטרודת הניקל ומחזיר אותה למצבה הראשוני לפני החמצון. ואז אפשר להתחיל את התהליך מההתחלה.

השיטה הזאת להפרדת מים מגיעה ליעילות של כמעט 99 בניצול האנרגיה, לעומת 75 אחוז בשיטות המתקדמות ביותר כיום להפרדת מים. מרק סיימס (Symes) מאוניברסיטת גלזגו מסביר במאמר פרשנות כי היעילות הגבוהה של השיטה הזאת נובעת מכך שלא צריך לבצע תהליך חשמלי או כימי נוסף כדי לשחרר חמצן מהאנודה, אלא די בחימום בלבד.

החוקרים הראו גם שאפשר לחזור על התהליך מאה פעמים בלי לפגוע כמעט ביעילותו ובלי לפגום ברכיבי המערכת. בנוסף, כמות האנרגיה שצריך להשקיע כדי להפיק קילוגרם אחד של מימן בשיטה הזאת קרובה מאוד לשיטות שכבר נכנסו לשימוש תעשייתי. ולבסוף, אפשר להשתמש בשיטה גם במערכות שמפיקות אנרגיה מהשמש, כך שכל התהליך נקי מאוד.

השיטה החדשה מציעה שימוש בחומרים זולים ובעלויות תפעול נמוכות יותר מהשיטות הקיימות, בלי לפגוע ביעילות הניצול של האנרגיה המושקעת בתהליך. החוקרים הציגו גם דרך להעלות את השיטה החדשה להפקת מימן ממים על פסים מסחריים, ואף הקימו חברה שעוסקת בכך.

אחד האתגרים הגדולים העומדים בפני פיתוח שיטות חדשות להפקת אנרגיה ממקורות מתחדשים הוא הכדאיות הכלכלית שלהן. לדברי החוקרים, השיטה החדשה מאפשרת לייצר דלק נקי ממקורות לא מתכלים, שגם תהיה רווחית ויעילה מספיק ברמה תעשייתית. כעת נשאר לראות אם ההצהרה תעמוד במבחן המציאות. 

סרטון קצר של הטכניון על המחקר החדש (באנגלית):