להפיק אנרגיה מהשמש קל יחסית. לאגור אותה – זה כבר מסובך יותר. הפתרון עשוי להיות טמון בפירוק מים למרכיביהם

אוכלוסיית העולם גדלה במהירות ובהתמדה, ועמה גדלה צריכת האנרגיה בכדור הארץ. כל אחד רוצה להגיע במהירות ממקום למקום, לשמור על טמפרטורות נוחות בביתו, להפעיל אינספור מכשירי חשמל בו-זמנית ולהיות מחובר לרשת תמיד. האתגר לספק את דרישות האנרגיה הופך עוד יותר מורכב כשמשקללים את ההשלכות הסביבתיות הקשות של שימוש בדלקים הרגילים.

האדם חותר כל העת לפתח דרכים חדשות ליצירת אנרגיה זולה, נקייה ומתחדשת. בראש הרשימה ניצבת אנרגיית השמש, ולא בכדי: בשעה אחת כדור הארץ סופג מהשמש יותר אנרגיה מהצריכה השנתית העולמית של כל בני האדם ביחד!

הפקת האנרגיה הזאת ניצבת עדיין בפני קשיים רבים. אחד מהם הוא העובדה שכמות האנרגיה המגיעה אלינו אינה קבועה. היא משתנה מעונה לעונה ומיום ליום בהתאם למידת העננות. וחשוב מכך, בכל ערב השמש שוקעת ולאורך שעות רבות פשוט אינה מספקת לנו אור וחום.

אנחנו, כמובן, לא מפסיקים לצרוך חשמל כשהשמש שוקעת. למעשה, שיאי הצריכה היומית הם בשעות הבוקר והערב, דווקא כשהפקת אנרגיה מהשמש אינה יעילה. לכן עלינו למצוא דרך לאגור את האנרגיה הסולרית, להפיק אנרגיה בשעות השיא של השמש ולצרוך אותה מתי שרק נרצה.

אגירה כימית
כמעט מדי יום צצות טכנולוגיות חדשות לאגירת אנרגיה. חלקן מנצלות עקרונות מכניים כמו דחיסת גזים בזמן הפקת האנרגיה מהשמש ושחרורם להפקת חשמל בעת הצורך. באחרות אנו ממירים את אנרגיית השמש לאנרגיה פוטנציאלית באמצעות שאיבת מים למאגר גבוה ושחרורם דרך טורבינות כדי להפיק חשמל. יש כמובן עוד שיטות רבות, אבל נראה שאלה המבוססות על כימיה הן המבטיחות ביותר.

את הטכנולוגיות הכימיות המבוססות על מטען חשמלי ותגובות חמצון-חיזור כולנו מכירים בתור "סוללות" או "מצברים", ולא נעסוק בהן כרגע. טכנולוגיות מוכרות פחות מנסות לאגור את אנרגיית השמש באמצעות קשרים כימיים. כשאנו רוצים לנצל את האנרגיה הזאת, אנו יכולים לפרק בקלות את הקשר שיצרנו ולנצל לצרכינו את האנרגיה האגורה.

את ההשראה לרעיון הזה קיבל האדם מממירי אנרגיית השמש המובילים בכדור הארץ – הצמחים, שמזינים את העולם כולו בזכות תהליך הפוטוסינתזה ("ייצור באמצעות אור"). בתהליך הזה הם מנצלים את אנרגיית השמש ביעילות שאיננו מצליחים עדיין להתחרות בה ומפיקים מולקולות סוכר עתירות אנרגיה.


הזרז החדש בפעולה. באלקטרודה הימנית נוצר חמצן מהמים, ובשמאלית - מימן | צילום: Marit Mitchell/University of Toronto

שמירה אנרגיה באלקטרוליזה
שיטה מבטיחה אחרת לאגירת אנרגיית השמש היא פיצול מים. קבוצות מחקר מקנדה, ארה"ב וסין איחדו כוחות בניסיון לשפר את אחת הטכנולוגיות המבטיחות בתחום, שבה מנסים לאגור את האנרגיה הסולרית על ידי פיצול מים, והחוקרים מדווחים על ההתקדמות בכתב העת Science. בשלב ראשון מפיקים חשמל בשעות השיא של אנרגיית השמש באמצעות תאים פוטואלקטריים ומזרימים אותו למערכת של אלקטרוליזה. בשלב השני המערכת מנצלת את החשמל כדי לפרק את המים ליסודות המרכיבים אותו – מימן וחמצן.

בשיטה הזאת משתמשים במים כדי להפוך את אנרגיית השמש לדלק בצורת מימן גזי. במהלך פיצול המים, קשרי O-H של המים מתפרקים ובמקומם נוצרים קשרים עתירי אנרגיה שיוצרים גז חמצן (O2, O=O) וגז מימן .(H2, H-H) האנרגיה נאגרת בקשר בין שני אטומי המימן ונשמרת כך עד שנבחר להשתמש בה. המימן משמש כאן כמעין דלק, שניתן להפיק ממנו כמויות אנרגיה גדולות בצורה נקייה.

מדענים ניסויים ותיאורטיקנים שיתפו פעולה כדי ליעל את התהליך שהיה עד כה צוואר הבקבוק של השיטה. סימולציות מחשב נתנו סיבה טובה להאמין שאפשר לשפר את הזרז שמאיץ את שחרור החמצן בתהליך. החישובים הראו שתערובת הומוגנית של המתכות ברזל, קובלט וטונגסטן יכולה לשמש זרז יעיל במיוחד.

הנסיינים מצדם היו צריכים לפתח שיטה ליצור מוצק שיענה על שתי דרישות עיקריות: פיזור האטומים של שלוש המתכות צריך להיות אחיד ככל האפשר ושטח הפנים של החומר צריך להיות כמה שיותר גדול, שכן התגובה המזורזת מתרחשת על פני השטח של הזרז.

המדענים הצליחו להמיס את המתכות כך שהיונים שלהם יפוזרו בתמיסה בצורה אחידה. לאחר מכן השתמשו בחומר שהופך את התמיסה לג'ל, שגם בו פיזור היונים של המתכות היה אחיד. בזמן ייבוש הג'ל נוצר מוצק עם המון חללים מיקרוסקופיים, בלי לפגוע בפיזור האחיד של שלוש המתכות.

החללים המיקרוסקופיים העניקו לזרז שטח פנים גדול מאוד, וכשהמדענים בדקו את המערכת הם גילו שאכן הזרז החדש שפיתחו יעיל מאוד והמערכת יעילה פי שלושה מהמערכת הטובה ביותר שהייתה עד כה.

הדרך להגשמת החזון שיאפשר לנו לאגור את אנרגיית השמש בצורה יעילה על ידי פירוק מים אמנם ארוכה עדיין, אבל כל הזמן נעשים צעדים שמקרבים את החזון אט אט למציאות. מדובר בצעד נוסף בדרך להפקת אנרגיה יעילה, נקייה ומתחדשת וליצירת מציאות אנרגטית וסביבתית חדשה.