בהמשך לכתבה "מה זה ננוטכנולוגיה?" אנו ממשיכים בסדרת כתבות שמציגות לראווה את הפוטנציאל העצום של חומרים ננומטריים במגוון תחומים.

הפעם נעסוק כנראה בתחום הכי משמעותי לעתיד הקיום האנושי – תחום האנרגיה והסביבה. בזמן שאוכלוסיית כדור הארץ גדלה בקצב גובר והולך, הדרישה לאנרגיה גדלה בקצב גבוה פי כמה. הדרישה העצומה לאנרגיה מושפעת לא רק מגידול האוכלוסייה אלא גם מההתקדמות הטכנולוגית ומהעלייה ברמת החיים במדינות מתפתחות ענקיות כמו סין והודו.

לפני 200 שנה בלבד מנתה אוכלוסיית כדור הארץ כמיליארד בני אדם. לפני 50 שנה היו בעולם שלושה מיליארד בני אדם, כיום האוכלוסייה גדלה כבר לשבעה מיליארד בני אדם והיא צפויה להגיע לכעשרה מיליארד בני אדם עד שנת 2050. ברמה הבסיסית ביותר, על האנושות למצוא דרכים לספק אנרגיה לכמות האנשים האדירה הזאת בעידן שבו אנו מבינים כבר את ההשלכות של שריפת דלקים, ובעיקר רואים באופק את הידלדלות מאגרי הדלקים בעולם.

בעיני רבים שאלת האנרגיה היא האתגר המשמעותי ביותר העומד בפני האנושות כיום, לצורך קיום בסיסי ולהמשך התפתחותה. המהדרין יאמרו שכל בעיות העולם יפתרו כמעט כהרף עין במציאות שבה תהיה לנו אנרגיה זולה, נקייה וזמינה בשפע לכל בני האדם: בעיות המים יפתרו כי תהיה די אנרגיה להתפיל מי שתייה ולהוביל אותם לכל פינה בעולם, מלחמות רבות שמקורן בסכסוכי אנרגיה יימנעו ואפילו העוני יפסיק להיות רלוונטי בעידן שבו האנרגיה כמעט חופשית.

בסדרת הכתבות כבר הראינו שננוטכנולוגיה מיושמת כמעט בכל תחום חשוב כיום, כגון רפואה וטקסטיל. אם כן, לא מפתיע שרבים רואים בננוטכנולוגיה מפתח ליצירת העולם האוטופי הזה: עולם עם אנרגיה זולה, נקייה ומתחדשת – עולם ללא בעיות אנרגיה.

בכתבה זו נראה איך תכונות של ננו-חומרים יכולות לדחוף את החזון הזה קדימה. לא נוכל לסקור את כל הפיתוחים הטכנולוגיים הקיימים בתחום הזה מפני שהם רבים ומגוונים, אבל אפשר לקבל תמונה כללית על היכולות והיתרונות שיש לשילוב של ננוטכנולוגיה בעולם האנרגיה.

חזון היעילות האנרגטית

יש שתי השקפות מרכזיות ביחס לשילוב ננוטכנולוגיה בפתרון משבר האנרגיה, ושתיהן מציעות חזון של עולם ללא בעיות אנרגיה. הראשונה מדברת על עידן חדש ביעילות אנרגטית והשנייה עוסקת ביצירת עידן חדש בזרימת האנרגיה, העברתה ופיזורה ברחבי העולם.

החזון שעוסק בייעול אנרגטי של העולם רותם לצרכיו את התכונות של העולם הננומטרי. התכונה העיקרית שמנוצלת ונחקרת במגוון כיוונים, אם כי לא היחידה, היא היחס בין פני השטח של חומר לנפחו. פני השטח מבטאים את החלק שבא במגע עם הסביבה ואילו הנפח מתייחס לכמות הכוללת של החומר.

אם ניקח כדור זהב מלא בגודל של כדורסל, שטח הפנים שלו יהיה כ-0.18 מטר רבוע. מדובר בשטח קטן מאוד, לא גדול בהרבה מגודלו של מסך המחשב הממוצע. אבל אם ניקח את כדורסל הזהב שלנו ונקצוץ אותו להמון ננו-כדורסלים, נקבל כ- 900,000,000,000,000,000,000 (900 מיליארד מיליארדים) ננו-כדורסלים קטנטנים, עם שטח פנים עצום של 1.7 מיליון מטר מרובע, מדובר בשטח של כ-4,100 מגרשי כדורסל

איור- הגדלת שטח הפנים על ידי פירוק כדור גדול להמון כדורים קטנים
הגדלת שטח הפנים על ידי פירוק כדור גדול להמון כדורים קטנים.

אז ראינו שחלוקת חומר לננו-חלקיקים יוצרת שטח פנים גדול, אבל מה בעצם חשוב כל-כך בשטח פנים?

התשובה לכך טמונה בהגדרה שניתנה לשטח פנים – החלק שבא במגע עם הסביבה. חלקי החומר שבאים במגע עם הסביבה הם החלקים החשובים ביותר מבחינה כימית ומבחינה יישומית. התחום הגדול ביותר שמנצל את שטח הפנים של חומרים הוא תחום הקטליזה, ובעברית "זרזים".

הזרז, כשמו כן הוא, תפקידו לזרז תגובות כימיות. למעשה, הזרז אינו משנה את מהות התגובה או התהליך הכימי, אלא פשוט מפחית את האנרגיה שדרושה לביצוע התהליך שמתחיל בחומרים המגיבים ומסתיים בחומר סופי – תוצר התגובה. ברגע שפחות אנרגיה דרושה לביצוע תהליך, הוא מתרחש בקלות רבה יותר, במהירות גבוהה יותר ובמינימום השקעת אנרגיה.

נניח שזהב הוא הזרז בתגובה חשובה. אם נכניס את הכדורסל הגדול, שטח הפנים הקטן שלו יתבטא בכך שרק מעט זהב יבוא במגע עם החומרים המגיבים, ולכן יעילות הזירוז תהיה קטנה. לעומת זאת, ננו חלקיקי זהב עם שטח פנים עצום והמון מגע עם החומרים המגיבים יאפשרו תגובה מהירה ויעילה מאוד.

תגובות כימיות הן חלק בלתי נפרד מהתעשייה. בכל תחום שיעלה על דעתכם נעשה שימוש בתגובות כימיות בממדים גדולים, החל בתעשיות הנפט והחומרים וכלה בתעשיית הדשנים והתרופות. ייעול התגובות הכימיות בתעשייה ישפיע בצורה חסרת תקדים על מאזן האנרגיה העולמי. כדי להבין את ההשפעה שתהיה לייעול התעשייתי צריך לקחת בחשבון שהתעשייה, יחד עם שינוע מוצריה, היא צרכנית האנרגיה הגדולה ביותר בעולם. היא צורכת יותר מפי שתיים מהאנרגיה שצורכים כל תושבי העולם באופן ישיר.

מעבר להשפעה שתהיה על המאזן האנרגטי, ייעול התגובות יכול לקחת תגובה לא כדאית מבחינה אנרגטית וכלכלית ולהצדיק את השימוש בה. המשמעות היא שתגובות של מיחזור חומרים יתחילו להשתלם יותר והיכולת של העולם לשמור על קיימות תגדל.

רשת חשמל מבוססת ננוטכנולוגיה

החזון השני הנוגע להעברת אנרגיה רותם לצרכיו את התכונות החשמליות והמכניות של כמה חומרים ננומטריים מיוחדים.

כיום, המטבע האנרגטי העיקרי שמשמש אותנו הוא נפט ודלקים נוספים. את הדלקים מעבירים ממקום למקום על פני כדור הארץ ושורפים אותם כדי לקבל אנרגיה. על מנת להביא עידן חדש בהעברת אנרגיה עלינו למצוא מטבע אנרגטי חדש, כזה שיהיה קל, נוח ויעיל להעברה – האלקטרון. זרם אלקטרונים שמוכר לנו בשמו העממי "חשמל" חייב להיות המטבע האנרגטי שישמש את עולם העתיד. המכשול היחיד העומד בפנינו הוא איך להעביר אותו ביעילות ממקום למקום.

כשהשאיפה שלנו היא להגיע לעולם שבו האנרגיה זולה, נקייה ומתחדשת איננו יכולים להתייחס לשריפת דלקים כמקור אנרגיה. אפשר לומר שיש כיום קונצנזוס יחסי על כך שהעתיד האנרגטי של האנושות תלוי בשמש. המספרים מהממים – בשעה אחת כדור הארץ סופג מהשמש יותר אנרגיה מהצריכה השנתית העולמית! התמונה הגדולה ברורה – עלינו להמיר את אנרגית השמש לחשמל בניצולת כמה שיותר גבוהה, ובהמשך עלינו למצוא דרכים יעילות מספיק להעביר אותה לכל דורש על פני מרחקים גדולים.

 

 

הסרטון הופק בידי מוזיאון המדע ע"ש ברנרד בלומפילד בירושלים

יש כיום בשוק תאים פוטו-וולטאים שממירים את אנרגיית השמש לחשמל ביעילות שנעה סביב 20 אחוז. נעשים אמנם מאמצים עצומים לשפר את הניצולת של תהליך המרת אנרגיית השמש לחשמל, אך ייתכן שנוכל להסתפק גם באחוזי ניצולת נמוכים יחסית בזכות כמויות האנרגיה האדירות שהשמש מספקת.

המכשול היותר משמעותי הוא מכשול ההעברה של התוצרת החשמלית הלאה.

העברת חשמל יעילה תפתור את הבעיות הגדולות ביותר של האנרגיה הסולארית. הבעיה הראשונה היא המרחק בין ריכוזי האוכלוסייה לשטחים היעילים ביותר לניצול האנרגיה הסולארית. אם נשאל כל ילד "איפה בעולם הכי כדאי למקם משטחים שממירים אנרגיית שמש לחשמל?" סביר להניח שהוא יענה "במדבר". אין ספק שכיסוי מדבריות העולם בפאנלים סולאריים הוא המעשה ההגיוני ביותר עבורנו מבחינת יעילות הפקת החשמל, אך בהיעדר מערכת יעילה להעברת חשמל, לא יהיה ערך לחשמל הרב שאנו יכולים להפיק באמצע המדבר.

הבעיה השנייה היא הלילה. אנו צריכים אנרגיה גם בשעות הלילה, אבל אין שמש שתספק אותו. מצד שני, אם נבחן את הדברים בצורה עולמית נגלה שבכל זמן נתון חלק מהעולם מואר על ידי השמש וחלק אחר של העולם חשוך. לכן, תיאורטית, אם יש לנו מערכת העברת חשמל טובה מספיק, הצד המואר תמיד יוכל לספק חשמל לצד החשוך.


חווה סולארית בספרד | התמונה לקוחה מוויקיפדיה

בניית מערכת העברת חשמל יעילה היא בעיה מורכבת מאוד מבחינה טכנולוגית. צריך לייצר רשת חשמל שתוכל להעביר כמויות אדירות של חשמל למרחקים אדירים תוך איבוד אנרגיה מזערי.

הדרך לעשות זאת עוברת בננוטכנולוגיה. אנחנו מחפשים חומר חזק, עמיד ובעל יכולות חשמליות יוצאות דופן. חומר שמשלב את כל התכונות האלו יהיה חייב להיות ננומטרי – ננו-צינורית הפחמן. שילוב של טריליוני ננו-צינוריות לסיבים ושילוב הסיבים האלו לחוטים יכול להיות פתרון יעיל. חוטים כאלו, שעשויים מננו-צינוריות, יוכלו להעביר במהירות גבוהה ובלי לאבד אנרגיה זרם של מאות אלפי ואף מיליוני אמפרים, בהשוואה לרשת החשמל היום שיכולה להעביר רק כ-2,000 אמפר.

האם אחד החזונות או שניהם יתגשמו? ימים יגידו. לטובת כולנו כדאי שזה יקרה – ומהר.

איתן אוקסנברג
מאסטרנט, המחלקה לחומרים ופני שטח
מכון ויצמן למדע



הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.

0 תגובות