מדען אורח פרופ' אבנר רוטשילד

האם הפתרון שיסייע לנו להחליף את מקורות האנרגיה המתכלים באנרגיית שמש נמצא מתחת לאפנו? מחקר חדש מציע כי פריצת הדרך עשויה לנבוע ממקום לא צפוי: חלודה
X זמן קריאה משוער: 6 דקות

מהי, לדעתך, פריצת הדרך המשמעותית או המסקרנת ביותר שנעשתה בתחום המחקר שלך בשנים האחרונות?

בתחום האנרגיה המתחדשת, פריצת הדרך המשמעותית בשנים האחרונות עולה על סכום חלקיה. היא מורכבת מערב רב של טכנולוגיות להמרת אנרגיה מתחדשת לחשמל, הוזלתן והחדרתן לשוק, ולמרות שאף אחד מהגורמים הללו לא היווה פריצת דרך סינגולרית, משהו משמעותי בכל זאת מתרחש, ובהיקף הולך וגובר. אפשר לקחת לדוגמה את מה שקרה עם האנרגיה הסולרית בשנים האחרונות. מדינות המערב – בראשן גרמניה, ספרד ואיטליה – החלו לייצר ביקושים מלאכותיים באמצעות סבסוד ממשלתי, שדחפו קדימה את הייצור וההתקנה של פנלים סולריים וגרמו לצמיחה אדירה של מעל 50% בשנה במהלך העשור האחרון. לא רק שנוצרה תעשייה שלמה כמעט מאפס, אלא שצניחת עלויות הייצור כתוצאה מהגדלת היקף הייצור אפשרה לטכנולוגיה הזו להתחרות במחיר החשמל המופק בתחנות כוח רגילות ממקורות אנרגיה מתכלים ומזהמים- פחם וגז טבעי. בישראל אפשר לראות ניצנים למגמה זו עם סגירת המכרז להקמת תחנת הכוח באשלים, שתספק לנו חשמל נקי (ללא פליטת פחמן דו-חמצני) ובמחיר זול יותר ממחיר החשמל שאנו משלמים לחברת החשמל.

מהו המחקר שמעסיק אותך בתקופה זו?

דמיין מצב בו ניתן להצמיד לפאנלים הסולריים הקיימים כיום מערכת פשוטה וזולה, שתאפשר להם לייצר דלק ולאגור אותו במקביל לחשמל שהם מייצרים. תוצאות המחקר שלנו עשויות להפוך את הרעיון הזה למציאות ואם זה אכן יתממש, זו עשויה להיות פריצת הדרך הבאה.
צריך להבין שאם החזון הוא שימוש במקורות אנרגיה מתחדשת תוך היפטרות מוחלטת מתחנות כוח המבוססות על אנרגיה מתכלה, אז הרי הבעיה הבסיסית ביותר היא שתחנות כוח סולריות פעילות רק כשהשמש זורחת. לכן הן אינן מייצרות חשמל במהלך הלילה וכשמעונן ההספק שלהן קטן. זו בעיה רצינית כי גם כשהטכנולוגיה הזו תהיה מאוד זולה, היא עדיין תהיה תלויה בתחנות הכוח המסורתיות לצורך גיבוי רציף.

כדי שאנרגיית שמש תוכל להיות מקור האנרגיה הדומיננטי, צריך למצוא דרך לאגור את עודפי החשמל המיוצרים במהלך היום לצורך אספקת חשמל בשעות הלילה. וכיוַן שלא משתלם לעשות זאת באמצעות סוללות, המייקרות את התהליך באופן משמעותי, כיווּן המחשבה בשנים האחרונות הוא אחר: להשתמש בחלק מהחשמל שמיוצר במהלך היום כדי לפרק מים למולקולות של מימן וחמצן, ומהמימן לייצר דלק. אילו היינו יכולים לעשות זאת באופן יעיל וזול, זו היתה פריצת דרך ממשית. זאת משום שבניגוד לבנזין וגז טבעי, ששריפתם פולטת פחמן דו-חמצני לאטמוספרה, דלק מימן אינו מזהם כי תוצר הלוואי שלו הוא מים.

כיום מערכות שמפרקות מים כדי לקבל מימן, עושות זאת באופן יקר ולא יעיל ומשתמשות בחומרים הנדירים והיקרים ביותר בעולם, כמו פלטינה ואירידיום. לכן השאלה הגדולה היא: איך מפרקים מים בזול, באמצעות אנרגיית שמש? לכאורה, זו בעיה בלתי פתירה כי את החומר שמפרק את המים, צריך לטבול בתוכם: מצד אחד, עליו לבלוע את אור השמש ביעילות מרבית על מנת לייצר זרם חשמלי מקסימלי לצורך פירוק המים, ומצד שני, אסור לו להתפרק במים. בנוסף, רצוי שהוא יהיה חומר זמין וזול. למרבה הצער, אין כזה חומר אופטימלי. ואף על פי כן, אנחנו סבורים שהפתרון טמון בחומר זמין ומאוד מוכר והוא תחמוצת ברזל, או בפשטות: חלודה.

תחמוצת ברזל עמידה במים אך רוב החוקרים וויתרו עליה מזמן כפתרון אפשרי בגלל המלכוד הבא: אם השכבה עבה דיה כדי לבלוע אור, אז היא מוליכה גרועה מאוד של חשמל; ואם היא דקה מספיק כדי להוליך היטב את הזרם החשמלי, אז היא לא בולעת מספיק אור. אנחנו משתמשים בכל זאת בשכבה דקה מאוד (20 ננומטר- פחות מאלפית עובי דף נייר) אך כדי לאפשר לה לבלוע קרני אור ביעילות גבוהה, פיתחנו דרך ללכוד אותן באמצעות מחזירי אור. את הפתרון הזה גילה דוקטורנט מבריק בקבוצת המחקר שלי, חן דותן, ותוצאות המחקר שפרסמנו לאחרונה מעוררים עניין רב, הן ברמה המדעית והן ברמה היישומית-טכנולוגית.

כעת אנחנו בשלב בניית המערכת עצמה והפוטנציאל המרכזי שטמון בה, הוא שהיא לא מצריכה שינוי משמעותי כי, כאמור, אפשר "להלביש" אותה על הפנלים הסולריים הקיימים. אני מקווה שבשנה הבאה נוכל להדגים מערכת משולבת שכזו ולשכנע באמצעותה בעלי עניין באקדמיה ובתעשייה כי החזון של ז'ול וורן מלפני 140 שנה בנוגע לדלק מימן המופק מפירוק מים הינו בר השגה.

כיצד אתה רואה את העתיד של תחום המחקר שלך?

עמיתי למחקר ברחבי העולם בוחנים דרכים שונות ויצירתיות למציאת פיתרון זול ויעיל ליצירת מימן. באחת החזיתות, למשל, שפופולארית בעיקר בארה"ב, מדענים מנסים למצוא חומר חדש בעל תכונות אידיאליות: שיהיה מוליך למחצה מצד אחד, ועמיד במים מצד שני. לאחרונה השקיעו בפרויקט זה למעלה ממאה מיליון דולר וטובי המדענים מאוניברסיטאות מובילות שוקדים על ייצור מאגר עצום של תרכובות חדשות בשיטת ניסוי וטעיה, בתקווה למצוא את החומר האידיאלי. זהו פרויקט שאפתני מאוד אבל אותי, כאמור, מעניינת חזית המחקר המנסה לשפר את הביצועים של חומרים קיימים (כפי שאנו עושים עם חלודה). כפי שפעמים רבות מתגלה במדע ובכלל, התשובה לבעיה עשויה להימצא מתחת לאף.

מהו ההסבר האלגנטי, העמוק או היפה ביותר בעיניך לתופעה כלשהי?

הסבר אלגנטי ויפה בעיני, הוא כזה שניתן ליישם לא רק על תופעה ספציפית אלא על מגוון עצום של תופעות. כמו למשל משוואות האנרגיה החופשית בתרמודינמיקה, שמסבירות את אופן פעולתן של מערכות פיסיקליות. בלון, למשל. אנחנו נושפים אוויר לתוכו ובכך, אנחנו משנים שני פרמטרים, נפח הבלון ולחץ האוויר שבתוכו. אם נכפיל אותם זה בזה, נקבל את סך האנרגיה החופשית שבבלון, שיכולה להפוך לכוח מניע אם נשחרר את הפיה והבלון יעוף באוויר. מה שאלגנטי במשוואות האנרגיה החופשית (שמתחשבות גם בפרמטרים נוספים מעבר לאלה של בלון כמובן), הוא שהן שימושיות במגוון תחומים ונכונות לאינספור מערכות, החל מהרמה התת-אטומית, דרך תאים סולריים, ועד התפשטות היקום.

לגבי מה אתה אופטימי?

סך כל האנרגיה הנצרכת בעולם במשך שנה שלמה, אינה מתקרבת לאנרגיה המגיעה לכדור הארץ בשעה אחת של קרינת אור השמש. באופן תאורטי, פריסת תאי שמש על פני 425 אלף קמ"ר בעולם (0.3% משטח כל היבשות) מספיקה על מנת לספק את כל צרכי האנרגיה של האנושות, כולל חשמל, דלק וכיו"ב. לשם המחשת הפרופורציות, 0.3 אחוזים משטח ישראל, הם שליש משטח כל הכבישים שלנו. אחת הבעיות המרכזיות בדרך למהפכה הזו, היא התשתית: כדי לעבור מדלק מחצבי למקורות אנרגיה ברי קיימא, יש צורך בהקמת תשתית אנרגיה חדשה, הדורשת השקעה בהיקף בלתי ישוער על מנת להמיר את מערכות האנרגיה כך שיוכלו להשתמש בגז מימן, למשל. מצד שני, בתהליך פשוט של חיבור מימן ופחמן דו-חמצני, אותו ניתן לשאוב מהאטמוספירה, אפשר לסנתז איזה דלק שנרצה- בנזין 95, דיזל ועוד. דלק כזה, שימחזר את הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה, לא יצריך החלפת תשתיות.

יש הרבה בעיות ואתגרים אך גם פתרונות יצירתיים רבים ובאופן כללי, אני מאמין שאנחנו קרובים לפתרון שיהיה גם כלכלי. נדרשת לשם כך השקעה ראשונית שנדמית גבוהה אך אנשים מתחילים להבין שגם על דלק מחצבי הם משלמים מחיר גבוה מאוד- מחיר הדלק המאמיר, מחיר התחלואה וזיהום האוויר, ומחיר המלחמות. מלחמות המפרץ, הראשונה והשניה, התנהלו בעיקרן על משאבי הנפט של כוויית. עלות השניה לבדה נאמדת בכשלושה טריליון דולר למשלם המיסים האמריקאי, סכום שניתן היה לרכוש באמצעותו סוללה נטענת אחת לפחות לכל רכב בארה"ב. אנשים מבינים גם, שיש קבוצה מצומצמת מאוד של אנשים שקוצרת רווחי עתק ממשאבים מתכלים כמו הנפט והגז, ואילו פוטנציאל הרווח ממקורות אנרגיה מתחדשים הוא שווה בין כל היזמים. לאור כל זאת, אני מאמין שלא ירחק היום בו ניתן יהיה לעבור למקורות אנרגיה מתחדשים וברי קיימא. עד לפני כמה שנים זה היה נשמע כרעיון אוטופי אבל התמונה הולכת ומתבהרת- זה הולך ונעשה משתלם וכדאי מכל בחינה שהיא.

מחשבה זו התפרסמה באלכסון ב


תגובות פייסבוק

תגובה אחת על פרופ' אבנר רוטשילד