מים לשמים: מקור אנרגיה ללא זיהום

פרופ' נתן נלסון מהמחלקה לביוכימיה וביולוגיה מולקולרית עובד על ייצור אנרגיה כחולה בעלת דרגת זיהום אפסית, שבעת ניצולה פולטת אל האטמוספירה מים בלבד

החוקר מאחורי המחקר

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".

 

מתוך החוברת "מחליפים כוח" בעריכת דוברת האוניברסיטה >>

אוניברסיטת תל-אביב, רחוב חיים לבנון 30, 6997801.
UI/UX Basch_Interactive