מחקרים

אנרגיית השמש היא אולי המקור המבטיח ביותר לאנרגיה מתחדשת ונקייה - אנרגיה שנמצאת בכל מקום, בכל יום, ושלא תיגמר לנו לעולם. עם זאת, טכנולוגיות קיימות להמרת אנרגיית השמש לחשמל מצליחות לנצל אחוז קטן בלבד מקרינת השמש המגיעה לכדור הארץ.

ננו-אנטנות: הסוד בדברים הזעירים

"התאים הסולאריים הנפוצים כיום הם תאים פוטו-וולטאיים העשויים מסיליקון. תאים אלה מנצלים רק כ-10% מהאנרגיה של קרינת השמש לטובת ייצור חשמל. קיימים אמנם סוגים אחרים של תאים סולאריים שמנצלים עד 40% מהקרינה, אך הם יקרים הרבה יותר," מסביר פרופ' בוג. "המטרה שלנו היא לייצר אנטנה ננומטרית שתוכל, בזכות צורתה וממדיה הזעירים, לקלוט תחום רחב של אורכי גל כמו קרינת האינפרא־אדום בנוסף לקרינת האור הנראה. כך ניתן עקרונית לנצל עד 85% מקרינת השמש - יותר מפי שניים מהתאים הפוטו־וולטאיים המתקדמים ביותר הקיימים היום. מערך גדול של ננו־אנטנות, שממדיהן כחצי מיקרון על חצי מיקרון כל אחת, יוכל לנצל אנרגיה של קרינה הפוגעת בשטחים נרחבים".

אנטנות שוות זהב

דגמי האנטנות שבונה הצוות מבוססים על מבנים העשויים זהב, אלומיניום, טיטניום או מתכת אחרת, שיוצרו בליטוגרפיית קרני אלקטרונים. שיטה זו, שהיא מדויקת מאוד אך יקרה יחסית, תוחלף בעתיד בשיטה זולה ממנה הדומה לדפוס.

אנרגיית השמש הנקלטת בננו-אנטנות הופכת בתחילה לזרם חילופין, ויש צורך להפוך אותה לזרם ישר, שניתן להעבירו ליעדיו ברשת החשמל. גם למטרה זו נעזרים החוקרים בננו-טכנולוגיה חדשנית: התקן מיישר זרם שמורכב מננו-צינוריות פחמן - מבני פחמן מולקולריים בצורת צינור חלול, המשלבים תכונות של מוליכות חשמלית מעולה עם קשיחות יוצאת דופן. הננו-צינוריות המחוברות לננו-אנטנה נוגעות מצדן האחד בזהב כדי לייצר הולכה חשמלית, ובצדן האחר - בטיטניום כדי לייצר התקן מיישר שישלוט בכיוון הזרם.

כיום מרכזים החוקרים מאמץ ניכר בסוגיה "זעירה" במיוחד: מיקום הננו-צינוריות באופן מדויק במרכזה של ננו-אנטנה מסוג חדש שפיתחו, ואף רשמו עליה פטנט - אנטנת ויואלדי כפולה. לאנטנה זו שני יתרונות מרכזיים: ראשית, היא רחבת סרט, כלומר, מסוגלת לקלוט קרינה בתחומי האינפרא-אדום והאור הנראה בו-זמנית; שנית, היא ניתנת לחיבור טורי במערכים גדולים, כך שהמתחים הזעירים שמתפתחים על כל אנטנה מתחברים למתח כולל גבוה. בנוסף, מחפש הצוות דרכים להגביר עוד יותר את יישור המתח החשמלי שמייצרת האנטנה, על־ידי הקטנת הננו-מרווחים שדרכם עובר הזרם.

שיתוף פעולה בינתחומי

"היתרון של צוות המחקר שלנו הוא בשילוב המוצלח של ננו-טכנולוגיה, אופטיקה ותכנון אנטנות - שילוב בין הנדסה לפיזיקה", אומר פרופ' בוג. "שיתוף הפעולה הבינתחומי מאפשר לנו, מצד אחד, לגלות עקרונות מדעיים ולהוכיח שהם נכונים, ומצד שני להציע פתרונות יעילים לשימוש נרחב בעקרונות אלה. אנחנו לא מסתפקים ביצירת דגם אחד שידגים תופעה פיזיקלית מסוימת - כנהוג במחקר מדעי בסיסי, אלא מתאמצים לייעל את הדגמים ולכוון את הממצאים במעבדה ליישומים טכנולוגיים ממשיים".

בנוסף לייעודן של הננו-אנטנות בתחום אנרגיית השמש, יהיו להן ככל הנראה מגוון שימושים מרתקים נוספים: במערכות לראיית לילה, במערכות הדמיה וגם במערכות אבחון בתחום הביוטכנולוגיה. כמו כן, מכיוון שהננו-אנטנה משנה את תכונותיה בנוכחותה של מולקולה זרה בודדת, היא עשויה לשמש גם כגלאי יעיל לחומרים זרים.

לצאת מהמאזן השלילי

במחקרם החלוצי, אשר זכה לאחרונה במענק יוקרתי מטעם המועצה למחקר של האיחוד האירופי (ERC), מבקשים פרופ' נלסון וצוותו למצוא דרך יעילה להפיק את הדלק בר הקיימא היחיד בעולם - מימן (H2). שריפה של דלק כזה תחבר את מולקולות המימן (H2) לחמצן (O) ותפלוט לאטמוספירה מולקולות שאינן מכילות כלל פחמן דו־חמצני - מולקולת H2O, כלומר מים.

"תהליכים 'ירוקים' לייצור אנרגיה מפחיתים אמנם את הזיהום, אך אינם מבטלים אותו כליל", מסביר פרופ' נלסון, "גם אם נתדלק מכונית בדלק אורגני נקי המיוצר מצמח כמו תירס, עדיין יתבצע במנוע תהליך של שריפה, הפולט לאוויר מולקולות של פחמן דו־חמצני - שילוב של פחמן (C) וחמצן (O). אמנם, כמות ה-CO2 הנפלטת שווה לכמות שקולט הצמח מהאוויר בתהליך הפוטוסינתזה, אך כדי לגדל את הצמח ולהפיק ממנו דלק נדרשות פעולות נוספות שפולטות פחמן דו-חמצני, כמו דישון, קציר והובלה. כך יוצא, שמאזן הפחמן נותר תמיד שלילי, ובשורה התחתונה התהליכים המקובלים להפקת האנרגיה אינם בני קיימא. במילים אחרות: בסופו של דבר, במועד כלשהו בעתיד, יתכלו כל הדלקים האורגניים המשמשים את האדם".

נא להכיר: אנרגיה כחולה

"זוהי בדיוק מהותה של אנרגיה כחולה", אומר פרופ' נלסון, "מקור אנרגיה בר קיימא, שאינו מתכלה וגם אינו מזהם. בכוונתנו להשיג את היעד הזה באמצעות מניפולציות גנטיות ביצור קיים, שבו מתרחש תהליך הפוטוסינתזה". הפוטוסינתזה, אותו תהליך מופלא שבאמצעותו ממירים צמחים את האנרגיה של אור השמש לאנרגיה כימית האצורה במולקולות אורגניות (גלוקוז), מהווה מוקד למחקרים רבים בעולם.

אחד ממאפייניה הייחודיים של הפוטוסינתזה הוא ביקוע מולקולת המים, הנחשבת לאחת היציבות ביותר בטבע - לשני מרכיביה, חמצן ומימן: החמצן נפלט לאוויר, והמימן משמש לבניית מולקולות הגלוקוז (סוכר) המהווה שדרה לשאר החומרים האורגניים המרכיבים את התא החי. למעשה, תהליך הפוטוסינתזה הוא המקור לכל החמצן באטמוספירה, לרוב רובם של החומרים האורגניים והמזון שבטבע, ומכאן גם למרבית צורות החיים שעל פני כדור הארץ. מכיוון שכך, אחראית הפוטוסינתזה גם לכל הדלקים הצמחיים והפוסיליים המשמשים את האדם, כגון פחם, נפט, גז, עץ ואתנול.

פרופ' נלסון, העוסק מזה 40 שנה במחקר בסיסי של תהליכים בקרומי התא, העלה כעת רעיון מהפכני: להתערב בתהליך הפוטוסינתזה ביצור חד-תאי, באופן שיגרום לו לייצר בתוכו מולקולות מימן, כמקור לאנרגיה כחולה, נקייה לחלוטין. לצורך מחקרו, הוא בחר בבקטריה חד-תאית בשם סינקוציסטיס (Synechocystis) מקבוצת הבקטריות הכחוליות (Cyanobacteria), יצור פרימיטיבי אשר מצד אחד מבצע פוטוסינתזה, ומצד שני מסוגל לייצר מימן. הבעיה היא שמולקולות המימן פוגשות בתא ובסביבתו במולקולות החמצן הנפלטות בתהליך הפוטוסינתזה, והחמצן מעכב את תהליך יצירת המימן ואף מתרכב עמו ליצירת מים.

התערבות גנטית בתהליך הפוטוסינתזה

כדי לאגור גז מימן נקי שיכול לשמש כדלק, חיוני אם כן למנוע את המפגש בין המימן לחמצן. לשם כך מציע פרופ' נלסון לשתק לסירוגין את תהליך שחרור החמצן מהמים בפוטוסינתזה. כך ייווצר מימן ללא נוכחות חמצן, ואפשר יהיה לצבור אותו במכלים.  

כיצד עושים זאת? ראשית יבצעו החוקרים מניפולציה גנטית שתאפשר לגייס את יוני המימן (H+) והאלקטרונים הנוצרים בתהליכי הפוטוסינתזה והנשימה של התא, לצורך ייצורן של מולקולות מימן (H2). במקביל, בהליך נוסף של הנדסה גנטית, הם יגרמו לכך שתהליך שחרור החמצן בבקטריה יהיה רגיש לטמפרטורה. כלומר, בטמפרטורות גבוהות יחסית, מולקולות המים לא יתבקעו, ולא ישתחרר חמצן. היצורים המהונדסים יוזרמו באופן תמידי בין שתי סביבות טמפרטורה: סביבה של 30 מעלות צלסיוס המאפשרת ייצור חמצן וחומרים אורגניים החיוניים לקיומו של התא, וסביבה של 40 מעלות שמונעת ייצור חמצן, ובכך מאפשרת אגירה של מימן.

מניפולציה גנטית שלישית תאיץ את קצב יצירת המימן בתא ותייעל את התהליך כולו. האנרגיה הכחולה שתיוצר בדרך זו לא תיצור זיהום כלל, ואפילו הבקטריות המתות - שיוחלפו אחרי חמישה מחזורים של ייצור מימן - יוכלו לשמש מזון לבהמות.

"הפתרון נשמע מבטיח, אך אנו נמצאים רק בראשיתו של המחקר", אומר פרופ' נלסון. "מדובר במחקר בסיסי שעשוי להימשך גם עשר שנים. העבודה עשויה להתפתח לכיוונים שונים ולהביא לתגליות שאיש אינו יכול לצפות אותן מראש. רק דבר אחד בטוח: מחכות לנו בדרך הרבה הפתעות מרתקות".

הפקת דלק ביולוגי מתאית

צמחים מנצלים את אנרגיית השמש באופן טבעי באמצעות תהליך הפוטוסינתזה. הצמח קולט את אנרגיית האור של השמש ומשתמש בה כדי ליצור סוכרים ממים ומגז הפחמן הדו־חמצני. מרבית הסוכרים הללו נאגרים בדפנות של תאי הצמח בצורה של חומר (פולימר) שנקרא תאית (צלולוז), ומן התאית אפשר להפיק דלק ביולוגי הקרוי אתנול.

"בברזיל, למשל, כ-30% מתצרוכת הדלק מקורה באתנול המופק מקני סוכר. במקומות אחרים מייצרים אתנול מעמילן המופק מגרגרי תירס. הפקת דלק מצמחים אלה קלה יחסית, ובכל זאת, אי אפשר יהיה להסתמך עליהם לאורך זמן, מאחר שהם דורשים תנאי גידול מיוחדים (למשל, הרבה מים או אדמה עשירה) ואף מהווים מקורות מזון חשובים לאוכלוסיית העולם", מסביר פרופ' ילובסקי, "בעיה נוספת היא שהתהליכים הנהוגים היום להפקת תאית מרקמות צמחים אינם יעילים, כך שהאנרגיה המופקת אינה מצדיקה את כמות האנרגיה המושקעת בתהליך. במעבדה שלי גילינו קבוצת חלבונים שעשויה לייעל באופן משמעותי את הפקת התאית, ואנו מקווים להתאים את השיטה לצמחים נוחים לגידול, בעלי פוטנציאל עתידי גבוה להפקת דלק ביולוגי".

מחקרו של פרופ' ילובסקי חשוב במיוחד, מכיוון שלכל ייעול בהפקת התאית יש משמעות כלכלית אדירה. בעוד 25 שנה, כאשר לפי התחזיות יספקו הצמחים 30% מכל צורכי האנרגיה בעולם, גם ייעול של אחוז בודד בתהליך ההפקה יחסוך מיליארדי דולרים. לשם המחשה: כיום, העלות של 30% מהאנרגיה הנצרכת מדי שנה בארה"ב לבדה היא 600 מיליארד דולר. אחוז אחד, משמעו לא פחות מ־6 מיליארד דולר.

הנדסה גנטית חוסכת מיליארדים

צוות המחקר של פרופ' ילובסקי התמקד בגבעול, אשר במינים רבים של צמחים הוא המקור העיקרי של תאית. כדי להפיק תאית מהגבעול, יש להפרידו קודם כל ממרכיב אחר של תאי הגבעול - הליגנין (עצה); אך שיטות ההפרדה הכימיות הנהוגות כיום גורמות לאובדן של כ־50% מהתאית. לכן, כך הניחו המדענים, הפחתת כמות הליגנין בגבעול באמצעות הנדסה גנטית תייעל ותוזיל משמעותית את הפקת התאית מהצמח.

כיצד מגדלים צמחים מעוטי ליגנין? בשלב הראשון הצליחו החוקרים לאתר חלבונים שמבקרים את רמת הליגנין בדופן התאים. חלבונים אלה פועלים בדומה למתג, שבעזרתו אפשר להפעיל או לכבות את תהליך ייצור הליגנין. באמצעים של הנדסה גנטית הם שינו את פעילות החלבונים והפכו אותם למתגים שנמצאים תמיד במצב כבוי (off) או, לחילופין, נמצאים כל העת במצב פעיל (on). אחר־כך הם שתלו את החלבונים שעברו שינוי בצמח מעבדה הקרוי ארבידופסיס (תודרנית לבנה) ועקבו אחר התפתחותו. החוקרים גילו שכאשר פעילות החלבון מופחתת או מופסקת (במילים אחרות, כשהמתג נשאר כבוי) רמת הליגנין בצמח עולה. לעומת זאת, כאשר נשתל בצמח חלבון הפעיל ללא הפסקה (במילים אחרות, כאשר המתג דולק כל הזמן, ולא ניתן לכבותו) ירד ייצור הליגנין בתאים, והתפתחו הצמחים המבוקשים - בעלי כמות מופחתת של ליגנין.

צמחים ללא תחרות

בשלב הבא מתכוונים החוקרים לשתול את החלבונים שגילו בצמחים בעלי פוטנציאל גבוה לייצור דלק בעתיד. "בעולם מחפשים למטרה זו צמחים שהם, מצד אחד, נוחים וזולים לגידול, ומצד שני - אינם מתחרים בגידולים חקלאיים", אומר פרופ' ילובסקי. "מדובר בצמחים שאינם משמשים את האדם לצרכים אחרים כמו מזון או ביגוד ויכולים לגדול בקרקעות שוליות, עניות במזון ובמים, שאינן מתאימות לחקלאות. זאת, בשל ההבנה כי הפקת דלק מגידולים חקלאיים, כמו קנה סוכר או תירס, עלולה ליצור תחרות שהיא הרת אסון מבחינה כלכלית וחברתית".

הצמחים הראשונים שייבחנו במעבדה יהיו מינים עשבוניים ממשפחת הדגנים. החוקרים יבדקו אם הגנים שגילו מצליחים לצמצם את כמות הליגנין בצמחים אלה. מינים עשבוניים משופרים, בעלי מוטציה לייצור מופחת של ליגנין, עשויים לייעל באופן משמעותי את תהליך הפקת הדלק הביולוגי ולחסוך מיליארדי דולרים לכלכלת העולם.

עטלף הבומבוס הוא היונק הקטן ביותר על פני כדור הארץ. למרות שמשקלו אינו מגיע לשני גרם, הוא מסוגל לעוף לאורך עשרות קילומטרים בחושך מוחלט כשהוא מתבסס על חוש הסונאר כדי לנווט, לתמרן ולמצוא מזון. כמו עטלפים אחרים, גם העטלף הזעיר הזה משדר אותות על קוליים ומנתח את ההדים החוזרים באמצעות המוח שלו. עטלפים מסוגלים לבצע משימות מורכבות ביותר בעזרת הסונאר שלהם כמו: איתור חרקים מזעריים ומעקב אחריהם במעבה הצמחייה, נדידה עונתית לאורך מאות קילומטרים ותנועה בלהקים של מאות אלפי פרטים מבלי להפריע זה לזה. בנוסף, הם מציגים יכולות קוגניטיביות גבוהות כמו קבלת החלטות, זיכרון ולמידה.

"העטלפים הם אחת מקבוצות היונקים המצליחות ביותר, אך המידע עליהם מועט," אומר ד"ר יוסי יובל, ראש המעבדה, "הם היונקים המעופפים היחידים, ויחד עם דולפינים, הם היונקים היחידים שמפיקים אנרגיה כדי לחוש את הסביבה. היכולות שלהם קוראות תיגר על חוקי הפיסיקה ומעמידות את ההנדסה האנושית באור מביך, ולכן אני חוקר אותם".

מעבדת עטלפים ראשונה מסוגה בעולם