הפקת אנרגיה חדשנית בהשראת הטבע

אורח החיים המודרני מציב בפני האנושות אתגר גדול – איך להפיק כמה שיותר אנרגיה שחיונית לחברה טכנולוגית מתקדמת, בכמה שפחות עלות ונזק לסביבה. חוקרים רבים פונים כיום לטבע בחיפוש אחרי פתרונות, שכן יצורים חיים רבים פיתחו במהלך האבולוציה יכולות ליצור ולאחסן אנרגיה ביעילות גבוהה מאוד, דרך מערכות סולריות, באמצעים מכניים ועוד. בשנים האחרונות אנו רואים יותר ויותר פיתוחים הקשורים בהפקת אנרגיה, ששואבים השראה מעולם החי. הנה כמה מהם.

טורבינות רוח

השימוש ברוח להפקת אנרגיה מוכר כבר מאות שנים, כמו שיודע כל מי שראה טחנת קמח שהרוח מסובבת את כנפיה כדי להניע אבני ריחיים כבדות. כיום משתמשים בטורבינות רוח להפקת חשמל, וברמת הגולן אף יש חוות טורבינות פעילה שמספקת חשמל לתושבי האזור. לטורבינות הללו יש יתרונות רבים, אולם הן דורשות שטח רב ועלולות לסכן ציפורים ועטלפים שמתקרבים לכנפיהן. שלוש חברות שונות מנסות להתגבר על הבעיות הללו, באמצעות פתרונות בהשראת הטבע.

החברה הצרפתית New World Wind מפתחת "עצי רוח" שלוקחים השראה מתנועת העלים. אלה טורבינות רוח אנכיות קטנות, הדומות בעיצובן לעלי עצים, ומסוגלות לנצל אפילו משבי רוח קלים מאוד. מאחורי הרעיון עומד היזם ז'רום מישוֹ-לריווייר (Michaud-Larivière). הוא מספר כי במהלך טיול בגני לוקסמבורג הוא הבחין שהעלים על העצים רוטטים מעט, אפילו כשלא הורגשה רוח כלל. מכאן הסיק שאפשר לתכנן טורבינות רוח קטנות בהתבסס על מבנה העלים. 

היכולת של טורבינות העלים לנצל אפילו משבי רוח קלים מאוד, ושילוב של "עלים" רבים על "עץ" אחד, מאפשרים להפיק חשמל רב. עצי הרוח מתאימים לסביבה עירונית – הם פועלים בשקט ואינם תופסים מקום רב, ואם לא די בכך הם אפילו יפים לעין. החברה כבר החלה למכור את העצים באירופה: בצרפת ניתן למצוא אותם בפארקים, שם משתמשים בהם להטענת טלפונים.

גם טורבינות גדולות יותר יכולות לשאוב השראה מהטבע; במשך שנים רבות לא היה ברור מה מטרת הבליטות על סנפירי הלווייתן גדול-הסנפיר (Megaptera novaeangliae), אך כשלווייתן מת נסחף לחוף, החוקר פרנק פיש (Fish) ערך ניסויים עליו, והתעלומה נפתרה. 

פיש גילה כי הבליטות שעל הסנפיר משפיעות על זרימת המים סביבו ומאפשרות לו לחוג בזווית חדה יותר מסביב לטרפו. ניסויים שנעשו במנהרות רוח הוכיחו כי מה שנכון למים נכון גם לאוויר, והוספת בליטות על סנפירים משפרת את האווירודינמיקה שלהם. בשיתוף יזמים קנדיים הקים פיש חברה בשם Whalepower, שמפתחת להבים לטורבינות רוח שמעוצבות בהשראה סנפיר הלווייתן.

השראה נוספת מעולם הים התקבלה מתצפית על התנועה המסונכרנת של להקות דגים. החוקר ג'ון דבירי (Dabiri) מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה זיהה כי המבנה המאורגן הזה מוביל לכך שחלק מהמערבולות שנוצרות כתוצאה משחיית הלהקה הן בכיוון השעון, וחלקן נגד כיוון השעון. הוא בדק בסימולציות מה קורה כשיוצרים סידור דומה בחוות טורבינות, וגילה כי תפוקת האנרגיה עולה פי עשרה. בעקבות הממצאים הקימו בקליפורניה חוות טורבינות גדולה, שהטורבינות שבה מוקמו בדומה לדגים בלהקה, ואכן תפוקת האנרגיה שלה השתפרה.

מהווה השראה לטורבינות רוח. לווייתן גדול-סנפיר | צילום: Science Photo Library

תאים סולריים

אנרגיית השמש זמינה בשפע בכדור הארץ, וכל שעלינו לעשות הוא לנצל אותה ביעילות. הלוחות הסולריים הקיימים כיום אינם יעילים במיוחד, ודרך יצירתית להגדיל את יעילותם עשויה מכנפי פרפרים.

כדי שפרפרים יוכלו להתחמם בסביבה קרה יחסית, יש בכנפיהם משטחים קטנים שקולטים את אור השמש וממירים אותו לחום. אפשר להתייחס אליהם כאל מעין תאים סולריים זעירים. על מנת להבין איך התאים הללו עובדים, בחרו חוקרים להתמקד בשני זנים של פרפרים שחורים, בהנחה שצבע הכנפיים השחור מסייע להם לקלוט כמה שיותר מאור השמש.

כשבחנו את הכנפיים במיקרוסקופ אלקטרונים גילו החוקרים כי ״המבנים הסולריים״ מסודרים בצורה ייחודית שמאפשרת קליטה רבה במיוחד של אור. בהמשך הם הצליחו ליצור במעבדה מערך דומה מחומרים שמשמשים לבניית תאים סולריים מלאכותיים, והראו שהם קולטים אור בצורה טובה יותר מתאים סולריים סטנדרטיים. החוקרים סיפרו שהם מרוצים מאוד מפעולת האבטיפוס שבנו, וכעת הם מנסים ליצור תאים סולריים מסחריים בהשראת כנפי הפרפר.      

כיוון נוסף שנבדק הוא תהליך הפוטוסינתזה, בו צמחים וחיידקים מסוימים קולטים את אור השמש ומשתמשים בו להפקת אנרגיה. האור מוביל לזרימת אלקטרונים שמתורגמת לאנרגיה כימית שנשמרת בתאי הצמח.

התהליך יעיל מאוד ולכן חוקרים רבים ומנסים לחקות אותו בתאים הסולריים שהם מפתחים. לדוגמה, קבוצת מדענים מאוניברסיטת ג'ורג'יה הצליחה לאחרונה לפענח את אחד המנגנונים האחראים למעבר היעיל של האלקטרונים, ובעתיד נוכל לנצל את התובנות הללו לפיתוח תאים סולריים יעילים יותר. אחרים מתמקדים בשלב קליטת האור ומנסים לפתח מבנים דומים לאלה של הצמחים.

פרפרים שמבינים באנרגיה סולרית | צילום: Shutterstock

מנורות לד בהשראת גחליליות

בשנים האחרונות השימוש במנורות לד הולך וגובר, שכן הן חסכוניות ונחשבות "ירוקות".  אולם הניצולת שלהן, כלומר היחס בין התוצר שהתקבל לבין התוצר שהיה צפוי להתקבל, מגיעה ל-50 אחוז בלבד. אחת הסיבות לכך היא השתקפות האור במנורה עצמה, שפוגמת בעוצמת התאורה.

גחליליות מתמודדות עם בעיה דומה, ולכן קבוצות של חוקרים בחרו ללמוד את איבר ההארה שלהן ולקבל ממנו רעיונות לשיפור נורות הלד. אחת הדרכים שפותחו כדי לצמצם את השתקפות האור במנורות היא הציפוי שלהן במבנים מיקרוסקופיים שמאפשרים ליותר אור לקרון החוצה מהנורה.

במנורות הלד הרגילות המבנים הללו מסודרים בצורה סימטרית. אולם החוקרים הבחינו כי אצל גחליליות קיימים מבנים מיקרוסקופיים דומים, שמסודרים בצורה א-סימטרית. בנוסף התברר כי גם אצל מקקים בעלי יכולות זריחה קיימים מבנים מיקרוסקופים המסודרים בצורה דומה.

כשהחוקרים יצרו באמצעות מדפסת תלת-ממד סידור א-סימטרי דומה, הם הגיעו לשיפור משמעותי של 90 אחוז בהפקת האור. בעקבות זאת הם מקווים כי בשנים הקרובות נורות לד חסכוניות בעלות ציפוי א-סימטרי יחליפו את נורות הלד המוכרות.

א-סימטריה עובדת בשביל הגחליליות | צילום: Shutterstock

סוללות בהשראת דג חשמל

אחד הדגים המרתקים ביותר הוא הצלופח החשמלי, שמסוגל להפיק זרם חשמלי באמצעות איבר מיוחד שמרכיב כ-80 אחוז מגופו. האיבר הזה מכיל תאים מיוחדים בשם "אלקטרוציטים", שמשמשים מעין בטריות קטנות.

האלקטרוציטים מסוגלים ליצור זרם חשמלי על ידי יצירת הפרש ריכוזים בין יונים (אטומים טעונים חשמלית) בעלי מטען חיובי ושלילי. במנוחה, משאבות מיוחדות על קרום התאים מווסתות את ריכוזי היונים, כך שהיונים בעלי המטען החיובי והשלילי מבטלים אלה את אלה ולא נוצר זרם. בשעת הצורך, למשל כשהצלופח תוקף טרף פוטנציאלי, אופן שאיבת היונים משתנה כך שבכל תא נוצר הבדל קטן בין ריכוז היונים החיובים לשלילים. כך נוצר זרם קטן בכל תא. הזרם הזה מצטבר לאורך כל התאים החשמליים ויוצר מתח משמעותי של כ-600 וולט, שיכול להמם אפילו סוס.

בהשראת האלקטרוציטים פיתחו חוקרים סוללה רכה שתוכל לשמש לצרכים ביולוגיים – למשל בקוצבי לב. החוקרים יצרו מעין איבר חשמלי מלאכותי על ידי הידרוג'ל (ג'ל המבוסס על פולימרים ומים) ונעזרו בו כדי לחקות את המאפיינים הייחודים של האלקטרוציטים, המאפשרים כניסה של יונים מהסביבה על פי הצורך.

החוקרים יצרו שתי שכבות של ג'ל: הראשונה הכילה תאים שחלקם חדירים ליונים חיוביים וחלקם ליונים שליליים. הם סודרו כך שלא נוצר זרם עד שהם באים במגע עם שכבה שנייה של תאים, שמאפשרת את מעבר היונים ויצירת הזרם. כלומר, כל מה שצריך על מנת להפעיל את הסוללה זה ליצור מגע בין שתי שכבות הג'לים. החוקרים מעריכים שעל פי הדגם שפיתחו נוכל בעתיד לייצר סוללות לשימושים ביולוגים רבים.

השימוש באנרגיה בעידן המודרני הולך וגובר, ובמקביל נדמה שמקורות האנרגיה מצטמצמים, או יוצרים נזק סביבתי רב. התבוננות מעמיקה בעולם הטבע מראה לנו כי פיתח פתרונות רבים, ולנו נשאר רק להעתיק ולייצר בהשראתו מבנים פיזיים, מערכות סולריות ובטריות.