חוקרים פיתחו תא דלק מיקרוביאלי המבוסס על נייר ומייצר זרם חשמלי ללא צורך באנרגיה ממקור חיצוני
בעשורים האחרונים נעשים מאמצים רבים ברחבי העולם להפחית את התלות האנרגטית בדלק מאובנים, לטובת מקורות אנרגיה מתחדשים וידידותיים לסביבה. שיטה אחת, שזוכה לאחרונה לתשומת לב רבה, היא שימוש בתאי דלק מיקרוביאליים (Microbial Fuel Cells, ובקיצור MFC).
השיטה מבוססת על היכולת של חיידקים להמיר חומרים אורגניים לחשמל, והיא נחשבת ידידותית לסביבה ובלתי רעילה. חוקרים אמריקאים הודיעו באחרונה שהצליחו להפיק חשמל באמצעות חיידקים ונייר, שיטה חסכונית במשאבים שאם תהפוך מעשית היא תשפר את יכולתנו לייצר חשמל בקלות ובזול.
תא דלק מיקרוביאלי טיפוסי מכיל שתי אלקטרודות – אנודה וקתודה. האנודה מקבלת אלקטרונים ומעבירה אותם לקתודה, שאחראית למסור אותם הלאה. בין שתי האלקטרודות נמצאת ממברנה חדירה לפרוטונים. בחצי התא הצמוד לאנודה מניחים חיידקים ומספקים להם חומרי מזון.
החיידקים מעבדים את המזון, וכחלק מהתהליך מצטברים אצלם אלקטרונים ופרוטונים שהם מעבירים לרוב למולקולות חמצן סמוכות. בצד האנודה של תא הדלק אין חמצן, לכן החיידקים מעבירים את האלקטרונים שהשיגו אל הקתודה. הפרוטונים שנוצרו גם הם בתהליך הזה עוברים לחציו האחר של התא דרך הממברנה. חצי התא של הקתודה חשוף לחמצן, והאלקטרונים והפרוטונים שעוברים אליו מגיבים עם החמצן ומתקבלות מולקולות מים. מעבר האלקטרונים בין האלקטרודות יוצר זרם חשמלי.
אחת הבעיות העיקריות בתאי דלק מיקרוביאליים היא הצורך באספקה מתמדת של חיידקים או של חומרי מזון עבורם, והתהליך הזה דורש השקעת אנרגיה מבחוץ. חוקרים מאוניברסיטת איווה מציעים לעקוף את הצורך באנרגיה מבחוץ בעזרת תכונת הנימיות של הנייר.
החוקרים יצרו רצועות נייר דקות והדפיסו על כל אחת מעין תבנית, או מסלול משעווה, במטרה לכוון את זרימת הנוזל לאורך הנייר ממכל חיצוני שהיו בו חיידקים וחומרי מזון. המערכת של החוקרים, שפרסמו את מחקרם בכתב העת Technology, השיגה את המטרה: תא הדלק שבנו אפשר מעבר של החיידקים לאורך הנייר בלי צורך בתוספת אנרגיה מבחוץ.
החיידקים בניסוי היו מזן Shewanella oneidensis MR-1. מחקרים קודמים הראו שהזרם החשמלי שנמדד בנוכחותם הוא תוצאה של מולקולות מסיסות במים שהם מפרישים, ולא של מגע ישיר עם האנודה. המולקולות האלה נעות לאורך הנייר ומשמשות מעין מעבורות של מטען חשמלי.
משפרים זמנים
בניסוי הזה הנייר שימש לא רק לאספקת חיידקים וחומרי מזון לתא הדלק, אלא היה המשטח שעליו הם גדלו ושאפשר להם להעביר את המטען החשמלי לצדו השני של התא. במהלך הניסוי זיהו החוקרים הצטברות של חיידקים על הנייר, כך שנוצר "ביופילם", כלומר שכבת חיידקים שנצמדו זה לזה על גבי המשטח. מכיוון שהביופילם עשוי רב-סוכרים, חלבונים ו-DNA, מתפתחת בו אוכלוסייה גדולה של חיידקים שיכולים להמיר יותר חומרי מזון לחשמל.
התא שהחוקרים בנו סיפק בשיא פעילותו אנרגיה חשמלית של 1.3 מיקרו-ואט. לשם השוואה, נורת ליבון קטנה צורכת אנרגיה של 25 ואט, יותר מפי 10,000. הנתונים אולי לא מרשימים, אך הניסוי מדגים את הפוטנציאל הקיים בתאים שאינם דורשים אנרגיה מבחוץ. "אפשר להשתמש בכל האנרגיה שמתקבלת במתקן הזה, מפני שלא צריך מקור חשמל חיצוני בשביל להעביר נוזלים דרך המערכת. זו התקדמות משמעותית", אומר פרופ' נסטראן האשמי (Hashemi), שהוביל את המחקר.
אחרי מאה שעות של פעולה רצופה המתקן הפסיק לפעול, מפני ששכבת החיידקים שהצטברה על הנייר מנעה מחומרי המזון להמשיך לזרום לתוך תא הדלק, וממילא חומרי המזון שהיו מחוץ לתא נגמרו. כעת החוקרים בוחנים דרכים להגביר את הזרם המתקבל ולהאריך את זמן הפעילות של התא. בעתיד תאים כאלה יוכלו אולי לשמש מקורות חשמל ידידותיים לסביבה עבור מכשירים זעירים כמו חיישנים.
