חוקרים באוניברסיטת תל אביב מצאו דרך להגביר פי 5 את תפוקת המימן מאצות חד תאיות עבור רכבי העתיד

חוקרים באוניברסיטת תל אביב גילו שאצות חד-תאיות פולטות מימן לאורך כל השעות של אור יום, ומצאו דרך יעילה להגביר את התפוקה פי 5 באמצעות הנדסה גנטית. בכך הם הפריכו הנחה ארוכת שנים – שהמיקרו-אצות הללו פולטות מימן רק דקות אחדות ביממה, בשעת הזריחה, ולכן ניתן להפיק מהן רק כמות מזערית של מימן. משמעות הגילוי היא שהפוטנציאל של מיקרו-אצות כמקור אנרגיה עתידי גדול בהרבה מכפי שסברו המדענים עד היום.  יותר מכך: ייתכן שבעתיד נוכל לגדל מיקרו-אצות באמצעים חקלאיים, ולהפיק מהן את כל האנרגיה הדרושה לנו. המחקר פורסם החודש בכתבי העת: Plant Physiology ו-Biotechnology for Biofuels.

את המחקר הוביל ד"ר יפתח יעקובי, ראש המעבדה לאנרגיה מתחדשת בביה"ס למדעי הצמח ואבטחת מזון, בפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס. וייז באוניברסיטת תל אביב. הוא נתמך על ידי מנהלת ראש הממשלה לתחליפי נפט בראשות אייל רוזנר, והשתתפו בו מספר חוקרים ממעבדתו של ד"ר יעקובי: הדוקטורנטית רינת סמיאטיץ, ד"ר עודד לירן, ד"ר חביבה איילנברג ותלמיד המחקר עידו וינר.

המהפכה המוטורית של המימן

"המימן הוא מקור אנרגיה בעל יתרונות אדירים", אומר ד"ר יעקובי. "ראשית, תכולת האנרגיה שלו עצומה: טווח הנסיעה של מכונית המונעת במימן הוא יותר מ-500 ק"מ ל-5 ק"ג מימן, ואופניים יגמעו למעלה מ-100 ק"מ על 30 גרם בלבד של מימן; שנית, המימן כלל אינו מזהם: תהליך ניצולו בתאי הדלק החשמליים יוצר אך ורק אדי מים, ומהמפלט של מכונית המונעת במימן ייפלטו רק מים נקיים, הראויים אפילו לשתייה!" ולא מדובר רק בחלומות לעתיד: המהפכה המוטורית של המימן מתרחשת כאן ועכשיו. כבר ב-2015 החלו החברות טויוטה ויונדאי בייצור סדרתי של מכוניות 'מיראי' ('עתיד' ביפנית) ו'טוסון' - רכבים חשמליים המונעים בגז המימן; במקביל מוסבים למימן גם אופניים חשמליים; תחנות תדלוק למימן נבנות כיום ביפן, בסקנדינביה, בגרמניה ובקליפורניה; ומדענים בכל העולם מחפשים אחר שיטות יעילות ונגישות להפקת מימן בהיקפים גדולים.

לדברי ד"ר יעקובי, כבר בשנת 1942 גילו מדענים כי מיקרו-אצות – אצות חד-תאיות המצויות בכל מאגר של מים עומדים, ומעניקות לו את צבעו הירוק, פולטות מימן במהלך הפוטוסינתיזה. אך הסברה הרווחת עד היום הייתה כי פליטת המימן מועטה ביותר, ולפיכך האצות אינן יכולות לספק לנו אנרגיה בהיקפים שימושיים.

"המימן מיוצר באצה בעזרתו של אנזים הקרוי הידרוגנז, שמתפרק בנוכחות חמצן," מסביר ד"ר יעקובי. "בלילה, ללא אור השמש, המיקרו-אצה אינה מייצרת חמצן, וכשכמות החמצן יורדת, נוצרת בתא כמות גדולה של הידרוגנז. ההנחה עד כה הייתה שבמשך דקות אחדות בשעת הזריחה, עם חשיפתה לאור השמש, האצה פולטת גם חמצן וגם מימן; אך עד מהרה החמצן מצטבר ומשתק את ההידרוגנז, וייצור המימן נעצר. אנחנו החלטנו לבחון את ההנחה הזאת." 

להפתעתם גילו החוקרים כי גם באור היום, כשתהליך הפוטוסינתיזה באצה מייצר כמות גדולה של חמצן, נפלטת לצדו גם כמות זעירה של מימן. מכך הם הסיקו שבתוך האצה קיימים אזורים נעדרי חמצן, בהם יכול ההידרוגנז לפעול. "בהמשך מצאנו באצות שלושה מנגנונים יעילים, שפועלים ללא הפסקה כדי לסלק את החמצן מתוך התא, ומאפשרים להידרוגנז לייצר מימן באופן רציף, לאורך כל שעות האור," אומר ד"ר יעקובי. "המשמעות היא שלמיקרו-אצות יש פוטנציאל עצום, ועד כה בלתי מנוצל, לייצור דלק מימן."

בשלב הבא נעזרו החוקרים בטכנולוגיות מוכרות של הנדסה גנטית, כדי להתערב במערכת הפוטוסינתיזה של המיקרו-אצה. מטרתם הייתה לגרום לתא לייצר כמות גדולה יותר של הידרוגנז, על חשבון תהליכים אחרים, כמו למשל ייצור סוכר, ובכך להניע ייצור מוגבר של מימן. בדרך זו הם הצליחו להנדס במעבדה מיקרו-אצות המייצרות 400% יותר מימן מהאצות המקוריות.

"לפני כ-20,000 שנה התחוללה המהפכה החקלאית: האדם חדל להיות צייד-לקט, ביית זנים של צמחים מהטבע, והחל לגדל בעצמו את מזונו," מסכם ד"ר יעקובי. "אך בכל הנוגע לאנרגיה, אנחנו עדיין מלקטים מן הטבע את מה שהוא מספק לנו – עד כה בעיקר דלקים פוסיליים מזהמים, שהולכים ואוזלים במהירות.

"התגליות שלנו מהוות צעד חשוב בדרך למהפכה חקלאית נוספת, שעשויה לשנות את עתיד האנושות: ייצור אנרגיה נקייה בכמות מספקת, שתענה על כל צרכינו. במעבדה ייצרנו זני מיקרו-אצות בעלי פוטנציאל לייצור המוני של מימן, וכעת האתגר הוא להעביר את היכולות האלה לזני מיקרו-אצות עמידים יותר, שחיים בטבע. במילים אחרות, המטרה היא לביית זני-בר של מיקרו-אצות – ממש כמו שהאדם ביית לצרכיו את חיטת הבר. אחר כך נוכל לגדל את המיקרו-אצות המבויתות באופן חקלאי, והן יספקו לנו מימן לתדלוק כלי רכב, ובהמשך גם להנעת גלגלי התעשייה."