פיתוח בהשראת תהליך הפוטוסינתזה סולל את הדרך לטכנולוגיה חדשה של תאים סולארים יעילים המחדשים את עצמם.
מאת: מאיה גבעון
ברחבי העולם מבינים בהדרגה כי העתיד טמון בייצור אנרגיה נקייה ממקורות מתחדשים ובייחוד אנרגיה סולארית. למרות שייצור אנרגיה מאור השמש קיים בטבע מאות מיליוני שנים אצל אצות וצמחים, הטכנולוגיה האנושית עדיין לוקה בחסר ומפגרת אחר התהליך הטבעי, היעיל, החסכוני והאלגנטי של הפוטוסינתזה.
מחקרים רבים מוקדשים כיום ללימוד התהליך המאפשר לצמחים לקלוט אור שמש באמצעות פיגמנטים ולהפוך אותו ביעילות גבוהה לאנרגיה זמינה. המטרה מציבה בפני החוקרים מספר אתגרים, בדרך לייצור חשמל בתהליך המחקה את הפוטוסינתזה. הראשון קשור ביעילות התהליך, כלומר ביכולת לנצל את מירב האנרגיה המתקבלת מקליטת השמש בפיגמנט. הצמחים עושים זאת באמצעות מבנה ביו-כימי ייחודי של חלבונים בתא, שמכונה מרכז הריאקציה הפוטוסינתטית. אתגר נוסף קשור בקיום התהליך לאורך זמן: אנרגית השמש החזקה גורמת ל"שחיקה כימית" מהירה של המולקולות הקולטות אותה. בטבע, ההמשכיות מובטחת על ידי יכולת תיקון עצמית (רה-גנרציה) של תאי הצמח, כאשר הכרומופורים
(chromophores, החלק במולקולה שקולט את האור ומעניק לפיגמנט את צבעו) מוחלפים בתדירות של אחת לשעה.
באוניברסיטת Purdue שבארצות הברית, צוות בראשותו של פרופסור ג'ונג היון צ'וי מפתח מענה לאתגרים הנ'ל, באמצעות מבנים ננומטריים (ננו-מטר הוא אחד חלקי מיליארד המטר), המורכבים ממולקולות ביולוגיות, כמו חלבונים ו-DNA, וכן ממולקולות סינטטיות הנקראות צינוריות פחמן חד שכבתיות (single-wall carbon nanotubes). התכונות הטבעיות של כל סוג מולקולה מנוצלות באופן שמאפשר ריאקציה יעילה יותר וכן חידוש עצמי של החלקים המתכלים.
במבנים אלה, הפיגמנט מקושר על ידי קטעי DNA לצינוריות פחמן. אנרגיית השמש מערערת את המבנה הכימי בפיגמנט, וגורמת לאלקטרונים לנוע ממנו דרך צינוריות הפחמן, שמוליכותן הטובה הופכת אותם לחוטי הולכת אנרגיה יעילים. תכונתו של ה-DNA להתפרק ולהיווצר מחדש באופן אוטומטי מאפשרת לנתק את הפיגמנטים שהתכלו מצינורות הפחמן באמצעות סיגנל כימי יחיד, ולאחר מכן ליצור קשרים לפיגמנטים חדשים, ללא השקעת אנרגיה חיצונית.
טכנולוגיה זו, שנמצאת עדיין בשלבי מחקר ופיתוח במעבדות, סוללת את הדרך לדור חדש של טכנולוגיות, יעילות וידידותיות יותר לסביבה, בזכות למידה מדוקדקת של התהליכים המקבילים בטבע וחיקויים.
לקריאה נוספת
מאת: מאיה גבעון
ברחבי העולם מבינים בהדרגה כי העתיד טמון בייצור אנרגיה נקייה ממקורות מתחדשים ובייחוד אנרגיה סולארית. למרות שייצור אנרגיה מאור השמש קיים בטבע מאות מיליוני שנים אצל אצות וצמחים, הטכנולוגיה האנושית עדיין לוקה בחסר ומפגרת אחר התהליך הטבעי, היעיל, החסכוני והאלגנטי של הפוטוסינתזה.
מחקרים רבים מוקדשים כיום ללימוד התהליך המאפשר לצמחים לקלוט אור שמש באמצעות פיגמנטים ולהפוך אותו ביעילות גבוהה לאנרגיה זמינה. המטרה מציבה בפני החוקרים מספר אתגרים, בדרך לייצור חשמל בתהליך המחקה את הפוטוסינתזה. הראשון קשור ביעילות התהליך, כלומר ביכולת לנצל את מירב האנרגיה המתקבלת מקליטת השמש בפיגמנט. הצמחים עושים זאת באמצעות מבנה ביו-כימי ייחודי של חלבונים בתא, שמכונה מרכז הריאקציה הפוטוסינתטית. אתגר נוסף קשור בקיום התהליך לאורך זמן: אנרגית השמש החזקה גורמת ל"שחיקה כימית" מהירה של המולקולות הקולטות אותה. בטבע, ההמשכיות מובטחת על ידי יכולת תיקון עצמית (רה-גנרציה) של תאי הצמח, כאשר הכרומופורים
(chromophores, החלק במולקולה שקולט את האור ומעניק לפיגמנט את צבעו) מוחלפים בתדירות של אחת לשעה.
באוניברסיטת Purdue שבארצות הברית, צוות בראשותו של פרופסור ג'ונג היון צ'וי מפתח מענה לאתגרים הנ'ל, באמצעות מבנים ננומטריים (ננו-מטר הוא אחד חלקי מיליארד המטר), המורכבים ממולקולות ביולוגיות, כמו חלבונים ו-DNA, וכן ממולקולות סינטטיות הנקראות צינוריות פחמן חד שכבתיות (single-wall carbon nanotubes). התכונות הטבעיות של כל סוג מולקולה מנוצלות באופן שמאפשר ריאקציה יעילה יותר וכן חידוש עצמי של החלקים המתכלים.
במבנים אלה, הפיגמנט מקושר על ידי קטעי DNA לצינוריות פחמן. אנרגיית השמש מערערת את המבנה הכימי בפיגמנט, וגורמת לאלקטרונים לנוע ממנו דרך צינוריות הפחמן, שמוליכותן הטובה הופכת אותם לחוטי הולכת אנרגיה יעילים. תכונתו של ה-DNA להתפרק ולהיווצר מחדש באופן אוטומטי מאפשרת לנתק את הפיגמנטים שהתכלו מצינורות הפחמן באמצעות סיגנל כימי יחיד, ולאחר מכן ליצור קשרים לפיגמנטים חדשים, ללא השקעת אנרגיה חיצונית.
טכנולוגיה זו, שנמצאת עדיין בשלבי מחקר ופיתוח במעבדות, סוללת את הדרך לדור חדש של טכנולוגיות, יעילות וידידותיות יותר לסביבה, בזכות למידה מדוקדקת של התהליכים המקבילים בטבע וחיקויים.
 |
| האיור באדיבות Jong Hyun. ירוק: המבנים שקולטים את אור השמש ותורמים אלקטרונים למעבר בצינוריות הפחמן (שחור). המבנה מוחזק על ידי מקטעי DNA (אדום) שניתנים לפירוק וחיבור מחדש. |
