עציצים מחשמלים: לתדלק באמצעות קרני השמש

במשך שנים ניסו מדענים לפצח את היכולות האבולוציוניות של צמחים כדי להפיק מהם אנרגיה ונחלו הצלחה חלקית בלבד. אבל מחקר שפורסם לאחרונה עושה לכאורה את הבלתי אפשרי, ומוכיח שניתן להפוך כל צמח למעין מקור חשמלי, ולייצר באמצעותו שלל חומרים בשיטות שיכולות לחולל מהפכה בכלכלה העולמית — החל מייצור מימן כמקור דלק ועד ייצור נקי של אמוניה שתחליף את הדשנים המזהמים בתעשיית החקלאות. 

"אנשים לא מודעים לכך שבעציץ שלהם יש זרם חשמלי לכל דבר", אומר ל"כלכליסט" פרופ' יפתח יעקובי, ראש המעבדה לאנרגיה מתחדשת בפקולטה למדעי החיים של אוניברסיטת תל־אביב. "המחקר פותח את הדלת לתחום חקלאי חדש נוסף, שווה ערך לייצור חיטה או תירס לצורך הבטחת מזון, שיהיה אחראי ליצירת אנרגיה". עם זאת, יעקובי מבהיר כי יידרש לפחות עשור לפני שיתאפשר להעביר את ממצאי המחקר למישור המסחרי.

יעקובי הוביל את המחקר לצד פרופ' קווין רדינג מאוניברסיטת אריזונה ובשיתוף עם הדוקטורנטים אנדרי קניגין ויובל מילרד. המחקר מומן על ידי הקרן הדו־לאומית ארה"ב־ישראל וממצאיו פורסמו באפריל בכתב העת המדעי היוקרתי Energy & Environmental Science של האגודה המלכותית לכימיה בבריטניה. 

המעבדה לאנרגיה מתחדשת באוניברסיטת ת"א. התהליך יהיה כלכלי רק בעוד 10-15 שנה צילום: יפתח יעקובי

מוביל המחקר פרופ' יפתח יעקובי צילום: יפתח יעקובי

במרכז המחקר עומדת ההבנה שלצמחים יש יכולות יעילות במיוחד בכל הנוגע לייצור חשמל. "כל דבר ירוק שהוא לא דולרים, אלא עלים, דשא, אצות בים, מכיל פנאלים סולאריים שזהים לחלוטין לפנאלים שכל המדינה עכשיו בונה", הסביר יעקובי. "הם יודעים לקחת קרינת אור וליצור ממנה זרם של אלקטרונים. זו מהות הפוטוסינתזה. רוב האנשים חושבים על ייצור חמצן ואוכל, אבל השלב הבסיסי ביותר בפוטוסינתזה זהה לפאנלים של סיליקון ששמים בנגב ועל גגות — לקחת אור שמש ולייצר ממנו זרם חשמלי".

"הדלק הכי נקי שיש"

הקושי המרכזי שעמו התמודדו המדענים היה למצוא את הזרם החשמלי בצמחים ולהשתמש בו לצרכים אחרים. "בבית, זרם חשמלי אפשר לחווט להמון מכשירים שונים. פשוט מחברים את המכשיר לשקע. אבל כשאתה רוצה לעשות את זה בצמחים, מדובר על סדר גודל של ננומטר. אין לנו מושג לאיפה לחבר את התקעים. זה מה שעשינו במחקר הזה. בחשיבה מושכלת חיפשנו מקום בתאים של צמחים, שיכול לשמש כמעין שקע לכל דבר, רק בגודל ננומטר. כדי להוכיח ששקע עובד מחברים בבית מנורה. אין לנו מנורה ננומטרית אבל יש לנו אנזים, זה שווה ערך למכונה ביולוגית, שיודעת לייצר מימן. לקחנו את האנזים הזה, חיברנו אותו כך שיינעץ בשקע בתא הצמח, שקודם לכם היה היפוטתי. כשהוא התחיל לייצר מימן, הוכחנו שיש לנו שקע לכל דבר בגודל ננוטמרי. עכשיו אנחנו יכולים לקחת כל צמח או אצה ולהנדס כך שניתן יהיה להשתמש בשקע החשמלי שלהם למטרות ייצור".

מה אפשר לחבר לשקע הזה?

"אנזמים שמייצרים חומרים שונים בעלי ערך תעשייתי או אנרגטי. אם מחברים אנזים שמייצר מימין מקבלים מימן, זה הדלק הכי נקי שיכול להיות. יש כבר מכוניות ואופניים חשמליים עם טווח 150 ק"מ שנוסעים על מימן. יש בטבע המון סוגים של אנזימים שמייצרים חומרים רבי־ערך, כמו אמוניה שדרושה לתעשיית הדשנים ומיוצרת כיום בשיטה מאוד רעילה ומזיקה שצורכת הרבה אנרגיה. אנחנו יכולים לספק חלופה מבוססת צמחים לייצור חומרים שמתבצע במפעלים כימיים. מצאנו שקע ואנשים יכולים לבוא להתחבר אליו, להתפרע עם רעיונות. זו פלטפורמה חשמלית בתוך תא צמח חי. אנחנו כמו בלש שמאיר עם פנס על שקע בקיר, ועכשיו אתה יכול לחבר מה שאתה רוצה".

איך מצאתם את השקע הזה?

"בכל צמח הצבע הירוק הוא חומר שנקרא כלורופיל. החומר הזה הוא הבסיס של התאים הפוטו־וולטאיים הביולוגיים שבצמחים. לקחנו את אחד התאים האלו, הינדסנו אותו ושתלנו בנקודה אסטרטגית הידרוגנאז – האנזים שמייצר מימן – ואז החרדנו למיקרו אצות ירוקות. ההחדרה התבצעה באמצעות טכנולוגיה שמכונה תותח גנים. זה תותח הליום זעיר בלחץ גבוה שיורה לצמח חלקיקי זהב ננומטריים מצופים בדנ"א, טכנולוגיה שקיימת 20 שנה. החלקיקים מכניסים את הדנ"א לתוך התא.

"האצה שקיבלה את הגנים החלה לייצר תאים פוטו־וולטאיים משודרגים שכוללים את האנזים החדש. מדדנו את קצב ייצור המימן, ראינו שיש ייצור ושהתהליכים אחרים בתא לא מקבלים זרם חשמלי. כתוצאה מכך האצות גדלות הרבה יותר לאט. זה מוכיח את ההיתכנות של האתר – השקע שמצאנו.

"היה לנו חשוב לדעת שפגענו בנקודה שתאפשר להבטיח אספקת אלקטרונים של כמעט 100%. גדילה אטית זו הוכחה, כי אם היתה גדילה מהירה זה אומר שיש דליפה של אלקטרונים ושמתבצעים תהליכים שאנו לא מעוניינים בהם. כך הבנו שזה אתר אסטרטגי — שאם אתה נועץ בו אנזים כלשהו אתה מקבל בלעדיות על זרם החשמלי".

יפוצץ את הראש למדענים

חרף התוצאות המבטיחות של המחקר, יעקובי מבהיר שדרושה עוד עבודה רבה וזמן ניכר על מנת להפוך את זה לפיתוח מסחרי. "כדי שהתהליך יוכל להיות כלכלי, צריך להגיע לקצב ייצור שיצדיק את זה", הוא מסביר. "נכון לעכשיו אנחנו לא שם. צריך שיפור של בין פי 5 לפי 10 כדי להגיע לרמה שתצדיק פיילוט כלכלי. אני מאמין שנוכל אולי להגיע לזה ב־10 עד 15 שנה הקרובות. "יש כמה דרכים לעשות את זה. המכשלה הראשית היא התחרות על הזרם החשמלי עם תהליכים אחרים בצמח. צריך להמשיך בהנדסה גנטית, או לבדוק משתנים סביבתיים כמו תנאי תאורה מיוחדים. אם הייתה תוכנית מנהטן לרתימת מימן לטובת האנושות זה היה מקדם את העניין. אני מאוד מאמין בתהליך הזה".

ומה עכשיו?

"עכשיו צריך להתחיל לקחת אנזימים שמייצרים חומרים אחרים ולנסות לנעוץ באותה נקודה. האנזים שאני הכי חולם עליו מייצר אמוניה. אמוניה היא הבסיס למהפכה החלקאית המודרנית, כי באמצעותה מייצרים דשנים חקלאיים. אבל זה הליך מאוד בעייתי מבחינה סביבתי, כל ההליך יכול לפגוע במערכת האקולוגית, ניטרטים שמשתחררים לאטמוספרה מייצרים גשם חומצי. אם נוכל לגרום לצמחים לייצר אמוניה בעצמם, לא נצטרך בכלל לייצר דשן. נוכל לוותר על דישון חנקני ולאפשר לצמחים להשתמש בחנקן שבאוויר ללא דשן.

"אפשר לחבר אנזימים שמייצרים אלקנים, שהם בסיס לכימיה אורגנית ומשמשים בתרכובות נפט או ייצור פלסטיקים. אלו שלושה תוצרים שונים לחלוטין — מימן, אמוניה ואלקנים. יש אינסוף דברים, ואני בטוח שהמחקר הזה יפוצץ את הראש של הרבה מדענים אחרים. יהיה מאוד מעניין לראות מה אנשים יעשו עם זה".