צמחים חשמליים

מערכות אנרגיה סולארית כיום עדיין מסובכות ויקרות מדי, ולכן הן אינן תחרותיות כלכלית ותורמות רק מעט מאד מהביקוש הכולל לאנרגיה.ייתכן כי הפתרון יגיע אלינו ממקורות בלתי צפויים שנמצאים בסביבה כבר הרבה מיליוני שנים: צמחים ואצות.

במשך שנים רבות מחפשים חוקרים דרך לניצול התהליך הבסיסי ביותר בטבע לניצול אור השמש: פוטוסינתזה, תהליך שבו צמח ממיר אור שמש לאנרגיה כימית. השלב הראשון בתהליך הפוטוסינתזה הוא בליעה של אור השמש והפיכתה לאנרגיה חשמלית. התהליך מתרחש בכלורופלסט, איבר בתוך התא אשר מכיל חלבונים המסוגלים לבלוע את קרינת השמש (החלבונים נקראים PS-I, PS-II, קיצור של photosystem). האנרגיה שנבלעת בכלורופלסט מפרקת מים לחמצן ומימן, כאשר המימן מפוצל למטענים חשמליים: פרוטונים ואלקטרונים. המטענים החשמליים מפעילים שרשרת ארוכה של תגובות כימיות לבניית סוכרים וחמרים אחרים בתוך התא.

קבוצת חוקרים מארה"ב ומקוריאה הצליחו בפעם הראשונה להתחבר לתא חי של אצה ולשאוב מתוכה חלק מן החשמל שנוצר בתהליך הפוטוסינתזה, לפני שהאנרגיה החשמלית הופכת לאנרגיה כימית בהמשך התהליך. צוות המחקר פיתח נאנו-אלקטרודה עשויה מזהב בגודל זעיר (קוטר קצה האלקטרודה: 30 נאנומטר) שיוכל לנגוע בנקודה המתאימה בתוך התא. האלקטרודה הוחדרה בעדינות דרך מעטפת התא אשר נאטמה מיד אחריה, בעוד התא נשאר חי. נקודת המגע בקצה האלקטרודה כוונה אל מקטע החלבון שבו מופק המטען החשמלי, עם דיוק במיקום של 5 נאנומטר. כתוצאה מתהליך הפוטוסינתזה האלקטרודה הפיקה זרם חשמלי זעיר בסביבות פיקו-אמפר אחד, כמות כה זעירה שבכדי להשוותה לסוללת AA רגילה נצרכים כטריליון תאים. יעילות איסוף האלקטרונים במחקר זה הייתה כ-20%, ולדברי החוקרים, תוכל בעתיד להתקרב ל-100% (הכוונה שנאספו 20% מן המטענים שנוצרו בתא, לא מדובר ביעילות ההמרה מאור שמש לחשמל). כמובן, איסוף כל המטענים לא יאפשר המשך חיי התא לאורך זמן. התאים בניסוי מתים לאחר כשעה, כנראה עקב דליפות קטנות בממבראנה סביב האלקטרודה, או אולי עקב איבוד האנרגיה וההפרעה לתהליכי החיים הטבעיים. פיתוחים עתידיים במחקר יכללו עיצוב האלקטרודה במטרה לאפשר זמן מחייה ארוך יותר של התא, הגדלת שטח האלקטרודה כדי לאסוף יותר מטענים, ומעבר לתאים בעלי כלורופלסט גדול יותר.

הפקת אלקטרונים מצמחים בגישה זו עשויה להיות יעילה יותר משריפת החומר הצמחי או הפקת ביו-דלקים. התהליך עוקף את הצורך להבערת המסה, אשר בסופו של דבר מפיקה רק חלק מהאנרגיה המאוכסנת בצמח. מעניין לציין כי החברה הישראלית מילניום אלקטריק הכריזה בעבר כי היא מפתחת תהליך דומה להפקת חשמל מצמחים חיים, אך אין פרסומים המעידים על תוצאות מפעילות זו. 

גישה שונה להפקת חשמל בתהליך הפוטוסינתזה נבחנת בשני מחקרים מקבילים במחלקה לביוכימיה באוניברסיטת ת"א, המבוססים על הפקת החומר הפעיל מן הצמחים ולא על התחברות לצמחים חיים. פרופ' חנוך כרמלי בודד את חלבוני ה-PS-I מתוך תאי האצה, ופיתח שיטה שבה מולקולות החלבון מסתדרות מעצמן ומתחברות חשמלית אל אלקטרודה מתכתית המאפשרת הפקת המטענים החשמליים הנוצרים עם בליעת האור. שכבה דקה של מולקולות אלו ייצרה מתח של כחצי וולט. במחקר מקביל, פרופ' נתן נלסון אשר חוקר את מבנה החלבונים והממברנות של הצמח, פיתח תהליך להפרדת חלבון ה-PS-I מתוך תאים של עלי אפונה, וסידורם מחדש במבנה גבישי מסודר. גבישים זעירים אלו מסוגלים לקלוט את אור השמש ולהמיר את האנרגיה למטענים חשמליים, בדומה לפעולתם בתוך התאים החיים. נלסון הצליח לייצר בעזרת גבישים אלו מתח חשמלי גבוה יחסית של -10 וולט, כמובן בזרם והספק חשמלי נמוכים מאד. 

כל המחקרים המתוארים כאן כמובן רחוקים עדיין מפתרון מעשי בקנה מידה תעשייתי. עם זאת, ההתקדמות בהבנת תהליכי ייצור החשמל בטבע, והמצאת דרכים חדשות לניצול ישיר של התהליך הטבעי, יכולים להביא בעתיד הקרוב לפיתוח תהליך מעשי יותר של הפקת חשמל "ירוק". 

מידע נוסף ניתן למצוא במאמרים המדעיים:

Ryu et al., Direct Extraction of Photosynthetic Electrons from Single Algal Cells by Nanoprobing System, Nano Letters 2010, v. 10, pp. 1137–1143, doi:10.1021/nl903141j

Carmeli et al., A Photosynthetic Reaction Center Covalently Bound to Carbon Nanotubes, Advanced Materials 2007, v. 19, pp. 3901–3905, doi:10.1002/adma.200700536 

Frolov et al., Photoelectric junctions between GaAs and photosynthetic reaction center protein, J. Physical Chemistry v. 112, pp. 3426-13430, : 2008,doi:10.1021/jp800586w

Nelson, Plant Photosystem I - The Most Efficient Nano-Photochemical Machine, J. Nanoscience and Nanotechnology v. 9, pp. 1709-1713, 2009, doi:10.1166/jnn.2009.S101