מחקר ישראלי משפר את הבנת התהליכים הנחוצים לצורך ייצור דלק מימן ממים ואור

גלי החום בקיץ האחרון הביאו איתם שריפות אדירות, שיאי טמפרטורה, ובפסגת הקרח של גרינלנד אפילו תועד לראשונה גשם, שלא קפא לברד או לשלג. כל אלה ממחישים שוב עד כמה דחוף לצמצם את פליטת גזי החממה הנוצרים מפעילות בני האדם, ולעבור למשק שמבוסס על אנרגיות מתחדשות, כדי למתן את ההשלכות הצפויות של משבר האקלים. מחקר, של חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת בן-גוריון, עשוי לקדם את השימוש באנרגיית השמש באמצעות זיהוי הגורמים הפוגעים ביעילותם של תאים פוטו-אלקטרוכימיים – שממירים אור לזרם חשמלי ומשתמשים בו כדי ליצור תגובה כימית. הבנת התהליכים שפוגעים ביעילות התאים עשויה לסייע בפיתוח של תאים יעילים יותר שיעודדו את השימוש באנרגיית השמש במקום מקורות אנרגיה מזהמים ולא מתחדשים.

אחד המפתחות לעידוד השימוש באנרגיית השמש הוא מציאת אמצעי שיבטיח אספקת חשמל סדירה גם בשעות הלילה ובימים מעוננים שקרינת השמש בהם חלשה. לצד השימוש במקורות אנרגיה מתחדשים אחרים כמו הרוח, סכרים, אנרגיה גיאותרמית, ניצול גלי הים ועוד, נעשים מאמצים לפתח אמצעים שיאגרו את האנרגיה המופקת מהשמש בימים בהירים, כדי שנוכל ליהנות ממנה גם בזמנים חשוכים יותר.

אפשר כמובן להיעזר לשם כך בסוללות ומצברים, אך יכולת האחסון שלהם מוגבלת מאוד. פתרונות בקנה מידה גדול יותר כוללים בין השאר אגירת אנרגיה בצורת חום (אנרגיה תרמית) או באמצעים מכניים, למשל על ידי שאיבת מים למאגרים גבוהים שמהם יהיה אפשר להזרים אותם למטה להפקת חשמל. אך השיטה המפתה ביותר היא למצוא דרך להמיר את האנרגיה הסולרית לדלק כימי, שכן אותו יהיה אפשר לנצל לאספקת אנרגיה רבה בצורה מיידית וזמינה. דלק כזה יהיה אפשר להפיק, לאגור ולשנע בקלות רבה, ומכאן גם מובן העניין הרב בהפקת דלקים בעזרת אנרגיית השמש.

תמונה של מכולה סולארית. אספקת חשמל סדירה גם בשעות הלילה ובימים מעוננים שקרינת השמש בהם חלשה צילום: petrmalinak Shutterstock
אחד המפתחות לעידוד השימוש באנרגיית השמש הוא מציאת אמצעי שיבטיח אספקת חשמל סדירה גם בשעות הלילה ובימים מעוננים שקרינת השמש בהם חלשה צילום: petrmalinak Shutterstock

מאור ומים למימן

אחד הדלקים שמעוררים את העניין הרב ביותר בהקשר הזה הוא גז המימן. כבר כיום המימן משמש כדלק שאפשר לשנע ולאגור בקלות יחסית, ולהלכה גם אפשר להפיק אותו ולהשתמש בו בלי לפלוט מזהמים לסביבה. המימן מופק על ידי אלקטרוליזה – פעולה שמפצלת את מולקולות המים לשני המרכיבים שלהם, מימן וחמצן, בעזרת זרם חשמלי.

תא פוטו-אלקטרוכימי הוא התקן שקולט אור (פוטונים) ומסוגל להמיר את האנרגיה הטמונה בו לזרם חשמלי שמתועל כדי לבצע תהליך כימי – פיצול המים למרכיביהם. לאחר מכן, כששורפים את הדלק, המימן מגיב עם החמצן שבאוויר והופך מחדש לאדי מים לא מזהמים. במקביל משתחררת אנרגיית חום רבה שאפשר לרתום לשימושים רבים – למשל הנעת כלי רכב או הפעלת תחנות כוח.

אך כדי שהפקת מימן בתאים אלקטרוכימיים תשתלם מבחינה כלכלית, התאים חייבים להיות יעילים ויציבים. על כן מושקעים מאמצים ניכרים בפיתוח אלקטרודות לתהליך האלקטרוליזה מחומרים שיאפשרו תפוקה גבוהה ויציבה של מימן. אחד החומרים שמעורר עניין רב במיוחד בהקשר הזה הוא ההמטיט (Hematite): תחמוצת ברזל שהרכבה הכימי דומה לחלודה. ההמטיט הוא חומר זול, יציב, לא רעיל ותכונותיו מתאימות לתהליך פיצול המים. עם זאת, במשך זמן רב התפוקה בפועל של תאים מבוססי המטיט הייתה נמוכה משמעותית מהתחזיות, והם סיפקו פחות ממחצית מכמות האנרגיה שחזו להם.

הסיבות לביצועים המאכזבים היו עלומות עד כה. כעת הצליחו החוקרים הישראלים לספק הסבר מניח את הדעת לפערים בין הניצולת התיאורטית והמעשית של האלקטרודות. כשמדדו כמה אלקטרונים נוצרים מבליעת פוטונים (אור) וכמה מהם תורמים בפועל ליצירת הזרם החשמלי המשמש לפיצול המים למרכיביהם. הם מצאו שחלק ניכר מהאלקטרונים שנוצרו נותרו כבולים למקומם ולא השתתפו ביצירת הזרם החשמלי.

היכולת הזו להתחקות אחרי נקודות הכשל בתפקודו של התא האלקטרוכימי המבוסס על המטיט אינה מספיקה כמובן כדי לפתור את הבעיה. אך החוקרים מקווים שהתובנה החדשה תסייע בפיתוח הדורות הבאים של התאים הפוטו-אלקטרוכימיים להפקת מימן.