פלאי המים

המים של היום הם הדלק של מחר

english

כתבות

תאריך: 17 אוקטובר, 2017
מקור: 
מגזין ויצמן, כרך 12

בשנת 1972, אסטרונאוט מצוות החללית אפולו 17 צילם את ה-"גולה הכחולה", תצלום שהציג בפעם הראשונה את כל כדור הארץ כמערכת אקולוגית מבודדת, צפה בחלל. תמונת הגולה הכחולה, שקיבלה את שמה בזכות צבע האוקיאנוס הבולט בה, נמצאת היום בשימוש נפוץ בידי ארגוני איכות הסביבה, שקוראים להגן על מקורות המים החיוניים לקיום החיים.

כיום, חוקרים במכון ויצמן מפתחים גישות חדשות להגנה על הגולה הכחולה היקרה שלנו. רבות מהאסטרטגיות המדעיות הללו מבוססות על עובדה פשוטה: הכימיה הייחודית של H2O - מים - יכולה לשמש מפתח להצלתם של המים עצמם.

זרז נקי, אנרגיה נקייה

ככל שאוכלוסיית כדור הארץ גדלה, כך גדלים גם צרכיה של האנושות - בנושא המזון, האנרגיה והחומרים של החיים המודרניים. מילוי צרכים אלה דורש כימיה תעשייתית - תהליכים ההופכים חומרי גלם למוצרים אותם ניתן למכור ולקנות. בתקופה בה האמינו כי הזיהום הוא תוצאה בלתי נמנעת של תהליך זה, פרופסור דוד מילשטיין, חתן פרס ישראל ולשעבר ראש המחלקה לכימיה אורגנית בוויצמן, מצא דרך לסנתז באופן תעשייתי כימיקלים שונים תוך שימוש במעט אנרגיה ויצירה של אפס פסולת.

במחקר, שנמצא ברשימת 10 פריצות הדרך המדעיות הגדולות לשנת 2007 של מגזין Science, מסביר פרופ' מילשטיין כי זרזים מתכתיים-אורגניים יכולים להניע סינתזות יעילות מבחינת המחיר וידידותיות לסביבה של אחדים מהקשרים הכימיים הבסיסיים ביותר. מאז, הוא התקדם בצעדים גדולים.

קשרים פפטידיים הם אבני הבניין של כל החלבונים ויש להם חלק בתרופות רבות. הם נמצאים גם בפוליאמידים, המאקרו-מולקולות שכאשר הן מחוברות יחד הן יוצרות חומרים שונים, החל ממשי טבעי ועד ניילון סינתטי. "סינתזה של קשרים פפטידיים מייצרת בדרך כלל זיהום", אומר פרופ' מילשטיין, "אבל המחקרים שלנו מראים כי ניתן להגיע לתגובה נקייה שמייצרת רק תוצר לוואי אחד, שאינו מזיק: גז המימן". גילוי זה הוביל לפריצה בתחום האנרגיה הירוקה.

מימן הוא הדלק הנקי ביותר על כדור הארץ, ובמשך שנים רבות, ניסו מדענים ברחבי העולם להפיק דלק זה ממים, תוך שימוש באור שמש מרוכז כאמצעי לפירוק מולקולת המים לרכיביה (מימן וחמצן). פרופ' מילשטיין גילה שיטה חדשה לפירוק מולקולת מים, המשתמשת באור ובזרז חדשני מבוסס מתכת.

"השימוש הישיר בגז המימן כמקור דלק הוא בעייתי בשל צפיפות האנרגיה הנמוכה שלו ובגלל שהוא מאוד דליק ועלול להתפוצץ באוויר", מסביר פרופ' מילשטיין. "הזרז שלנו מאפשר לקשור בצורה בטיחותית מימן לתוך נוזלים אורגניים ולאחר מכן לשחרר אותו, לפי דרישה, בתנאים מתונים, ללא צורך באגירת הדלק במצב צבירה של גז". לדברי פרופ' מילשטיין, מערכת הזרז עשויה לסייע לנו בעתיד להפסיק לחלוטין את השימוש בדלק.

גישות עכשוויות נוהגות לאחסן את גז המימן תחת לחץ גבוה או בטמפרטורות מאוד נמוכות, הדרושות על מנת לשמור את המימן בצורה נוזלית - שיטות הצורכות השקעה גבוהה של אנרגיה. המערכת של פרופסור מילשטיין משתמשת בנוזל אורגני יציב, שייצורו אינו יקר, בו ניתן להשתמש כדי לשחרר את המימן הקשור בקשר כימי, בצורה ישירה, בתוך מיכל הדלק של הרכב. לאחר מכן, היות שהתגובה הקטליטית הפיכה, ניתן להרכיב מחדש את אותו נוזל, בתהליך חיצוני, ולחדש את מלאי המימן שלו לשימוש חוזר. דבר זה הופך את גישתו של פרופ' מילשטיין לפתרון בר-קיימא לתובלה הממונעת, אחד ממקורות הזיהום הגדולים ביותר בעולם.

הטכנולוגיה המכונה 'העברת מימן באמצעות נוזלים אורגניים' (LOHC ) עשויה להתניע את כלי הרכב של מחר. "הזרז שלנו מציע דרך בטיחותית לאגור באופן כימי ולשחרר בצורה מבוקרת מימן, אשר בצורתו הגולמית הינו דליק ביותר ועלול להתפוצץ", אומר פרופ' מילשטיין, "גישה זו יכולה לסייע במימוש הפוטנציאל של "כלכלת המימן", בה כמות גדולה של מימן לא מזהם תספק את כל צרכי האנרגיה שלנו, כאשר תוצר הלוואי היחידי יהיה מים". כיום, מושקעים מאמצים לפיתוחים טכנולוגיים נוספים של מערכת זאת.

אנרגיה מתוך מים

בינתיים, במעבדה אחרת שבמכון ויצמן, שיפרו מדענים באופן משמעותי את יעילותו של תהליך הפירוק של מולקולת המים תוך שחרור מימן בו ניתן להשתמש כדלק. הגילוי הגיע ממעבדתו של פרופ' רון נעמן מהמחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית, אשר הכניס חידוש לטכניקה אלקטרוכימית ידועה.

המדענים חושבים מזה זמן רב לייצר מימן מתוך מים באמצעות תאי שמש, אבל בעיות טכניות מגבילות את יעילותה של התגובה. יחד עם פרופ' ברט מאיר מאוניברסיטת איינדהובן שבהולנד, פרופ' נעמן הוכיח לאחרונה כיצד, באמצעות בקרת הספין של האלקטרונים (התכונה הגורמת לאלקטרונים להתנהג כמוטות מגנט זעירים עם קוטב צפוני ודרומי) ניתן לעכב את יצירתו של תוצר לוואי קורוזיבי ובכך להגדיל את כמות הזרם החשמלי שתאים אלה יכולים לייצר. הם דיווחו על הישג זה בעיתון האגודה האמריקאית לכימיה.

"אחד המכשולים הגדולים ביותר בהפרדת המימן הוא שהשיטות המסורתיות לביקוע מולקולת המים יוצרות מי חמצן - תהליך מתחרה, שגורם לקורוזיה של אלקטרודות התא ומוריד את יעילות יצירת המימן", מסביר פרופסור נעמן. "בעבודתנו, חקרנו כיצד תגובות כימיות מתחרות אלה מושפעות על ידי הספין".

החוקרים שמו לב שמי חמצן, בשל תכונותיהם הכימיות, דורשים שני אלקטרונים עם ספינים מנוגדים, בעוד שלאטומי החמצן יש ספינים מקבילים. הם הניחו שאם יוכלו לגרום לספינים של האלקטרונים המעורבים בתגובות כימיות מבוססות חמצן אלה להיות באותו כיוון, לא ייווצרו מי חמצן.

הסוד להצלחה היה צבע: החוקרים כיסו את אחת האלקטרודות של התאים הפוטואלקטריים הכימיים בצבע אורגני מבוסס על מבנים סופרא מולקולאריים כיראליים (המכילים מולקולות שהן תמונת ראי). מבנים ייחודיים אלה אפשרו למדענים להכניס לתוך התגובה הכימית רק אלקטרונים בעלי ספין הפונה לכיוון מסוים. עבודה זו היתה מבוססת על ממצאים קודמים של מעבדתו של פרופסור נעמן, שהראו כי העברת אלקטרונים דרך מולקולות כיראליות בררנית ותלויה בספין של האלקטרון.

"ההשפעה על ביקוע המים הייתה מעל המשוער, במובן זה שיצירת מי החמצן הופסקה כמעט לחלוטין", אומר פרופסור נעמן". המימן יכול לשנות את כללי המשחק בכך שיספק מקור אנרגיה שופע עם השפעה זניחה על הסביבה. אנחנו עסוקים מאוד כעת באופטימיזציה של התהליך".

יתרון "חומר המים"

טכנולוגיית ההפרדה נמצאת בליבו של טיהור המים, לצד הטיפול בשפכים ותהליכים תעשייתיים רבים. ממברנה חדשה, שפותחה על ידי פרופ' בוריס ריבטצ'ינסקי מהמחלקה לכימיה אורגנית, חזקה מספיק כדי לעמוד באתגרים אלה. ובאופן מפתיע, מרכיב עיקרי של חומר זה הוא ... מים.

המעבדה שלו יצרה מולקולות מלאכותיות שמנצלות את יתרונות התכונות הכימיות הייחודיות של המים ואשר מתארגנות לתוך סוגים שונים של הידרוג'לים - חומרים עשירים במים שמייצרים רשתות גמישות, תלת ממדיות בעלות חוזק וקשיחות רבה. "לפחות 60% מהגוף האנושי בנוי ממים", אומר פרופ' ריבטצ'ינסקי, "ולמעשה ניתן לומר שאנחנו כולנו הידרוג'לים מהלכים".

המבנים המולקולריים של פרופ' ריבטצ'ינסקי הפכו לבסיס ממברנת סינון שמסוגלת להפריד חלקיקים על סמך גודל, מאחד עד מספר ננומטרים. היא ידידותית לסביבה, בגלל שהיא ניתנת למחזור באופן מלא, כלומר, ניתן להמיס אותה ולהרכיבה מחדש במהירות. זהו פתרון מעשי לבעיה נפוצה בטכנולוגיית ההפרדה המכונה fouling."

יתרה מזאת, ממברנות שיוצרו לאחרונה במעבדתו של ריבטצ'ינסקי מכילות שכבה שניה שהורכבה באופן עצמאי ואשר מרחיבה את תחום היישומים שלהן. ממברנות חדשות אלה יכולות לעמוד בלחצים גבוהים ולטהר מים ממתכות-כבדות רעילות וממולקולות אורגניות שנוצרו בתעשיית התרופות. תרכובות מבוססות תרופות אלה מוצאות את דרכן יותר ויותר לתוך הסביבה הימית ובכך פוגעות בבריאות האדם ומפרות את המאזן הביולוגי של מערכות אקולוגיות ברחבי העולם.

"החומרים שלנו חזקים דיים ומסוגלים לעמוד ברוב הדרישות המאתגרות", אומר פרופסור ריבטצ'ינסקי. "הם מצמצמים את הזיהום מפני שבניגוד לחומרים הפלסטיים הנמצאים בשימוש בטכניקות ההפרדה המסורתיות, הממברנות שלנו הן 70% מים וניתן למחזרן בקלות. זה טוב לכדור הארץ וגם מצביע על הדרך בה ניתן להשתמש ב-'חומרים פלסטיים מבוססי מים' ביישומים עתידיים הידידותיים לסביבה".

מים נקיים בכל מקום

בעוד שכמעט 70% מהעולם מכוסה במים, רק 2.5% מהם טובים לשתייה, ורוב מי השתייה האלה (97%) נמצאים מתחת לאדמה. ההגנה על מקורות המים התת קרקעיים מזיהום היא חיונית, מפני שמים מזוהמים הם לא רק מלוכלכים - הם קטלניים.

פרופ' בריאן ברקוביץ מהמחלקה למדעי כדור הארץ וכוכבי הלכת הוא הידרולוג. המודלים הכמותיים שלו של זרימת מים תת קרקעית - אשר מספקים מידע לצורך עבודתם של מהנדסים וגורמי רגולציה ברחבי העולם - מאפשרים לנבא כיצד יתפשטו מזהמים. כאשר מתגלה זיהום, הגנה על מי השתייה היא ריצה נגד הזמן.

הגבול התקני של מזהמים אורגניים או מתכות כבדות במי שתייה הוא ארבעה חלקים למיליארד. "פירוש הדבר הוא שהאדם נמצא כבר באזור הסכנה כאשר כמות המזהמים במים מגיעה לרמה השווה לשמונה גרגרי חול בתוך טון של חמאת בוטנים", אומר פרופ' ברקוביץ'. "כמות זעירה כזו של זיהום, שעלולה להתפשט לכיוונים לא צפויים, מהווה בעיה גדולה".

מודל הדינמיקה התת-קרקעית שלו התפתח מתוך שילוב של תצפיות ניסיוניות וסטטיסטיקה. במעבדה, הוא ביצע ניסויים של "אריזה" על מנת לעקוב אחר תנועת צבע דרך חתכי רוחב שנבנו בחומרי קרקע שונים. סדרת בארות שנחפרו בשדה הפתוח סיפקו פלטפורמה דומה, שהראתה כיצד מזהמים שהוזרקו למים - חומרי עקיבה שאינם מזיקים לסביבה - עשו את דרכם מבאר אחת לאחרת. התוצאות הניסיוניות היוו בסיס למודל מבוסס הסתברות של זרימת מזהמים תת-קרקעית, שהועמד לשימושה של קהילת הידרולוגיה רחבה יותר.

פרופ' ברקוביץ' מתעניין גם בכימיה של מי התהום. בדיקה מעמיקה של תגובות כימיות, כגון פחמן דו-חמצני המפורר סלעים ויוצר פנול, יכולה לייעל את מאמצי הניקוי על ידי התחשבות בשינויים הדינאמיים בפגיעות מערכת מים. לאחרונה, הוא פיתח גישה חדשה ובונה לזיהום מי התהום: מערכת מבוססת ננוטכנולוגיה שמפרקת את הזיהום והופכת אותו "לבלתי מזיק" לפני שהוא מתפשט.

"מדענים יודעים מזה זמן רב כי הוספת כימיקלים מסוימים למים יכולה לגרום לפירוק המזהמים, אבל פירוק זה אינו שלם והוא איטי", הוא אומר. "אנחנו יצרנו זרזים מבוססי מתכות שהשיגו 100% פירוק של מזהמי מים. מזהמים מסוכנים הפכו באופן מלא לחמצן ופחמן שאינם מזיקים. לטכנולוגיה, המוגנת בפטנט, המפותחת כיום לשם מתן רישיונות מסחריים, יש פוטנציאל ליצור מהפכה בשיטות הטיפול בזיהום במתקנים תעשייתיים.

ככל שהטכנולוגיה מתפתחת, כך מתפתח גם הצורך באסטרטגיות חדשות לניקוי מים. "אנחנו עוברים היום לעידן בו החומרים הדרושים לבניית מתקני היי-טק, כגון טלפונים סלולריים, מחשבים ומערכות תאורה מתקדמות, מפונים לאתרי פסולת ללא הבנה לגבי השפעתם על מי התהום" הוא אומר. האתגר אינו לנסות לפתור בעיה גלובלית, אלא לבצע את המחקר הבסיסי שיעזור לנו להבין את הבלגן שיצרנו. אם יהיה לנו מזל, הנתונים שנשיג יראו לנו כיצד לנקות את הכל".

Prof. David Milstein is supported by the Bernice Peter Cohn Catalysis Research fund, and he is the incumbent of the Israel Matz Professorial Chair of Organic Chemistry.

Prof. Ron Naaman is supported by the Nancy and Stephan Grand Research Center for Sensors and Security, which he headed from 2010-2015, as well as the Rothschild Caesarea Foundation. He is the incumbent of the Aryeh and Mintzi Katzman Professional Chair. 

Prof. Boris Rybtchinski is supported by the Solo Dwek and Maurizio Dwek Research School of Chemical Science, which he heads; the Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable Trust; and Dana and Yossie Hollander, from Israel.

Prof. Brian Berkowitz is supported by the Calgary chapter of Weizmann Canada, the Crystal Family Foundation, the P. & A.Guggenheim-Ascarelli Foundation, Stan and Ellen Magidson, Rochelle Rubinstein, and Ms. Darlene Switzer-Foster and Mr. Bill Foster. Prof. Berkowitz is the incumbent of the Sam Zuckerberg Professorial Chair in Hydrology.