אנרגיה ירוקה

משבר האנרגיה העולמי מציב אתגר משמעותי לפתחם של מדענים בארץ ובעולם. אי-אפשר להגזים בחשיבות המאמצים למציאת תחליפים יעילים לנפט, שתהליכי ההפקה והצריכה שלהם יהיו ידידותיים לסביבה. מדעני מכון ויצמן פועלים בחזית הזאת במספר כיוונים.
01.06.2008

חפש את האצה

בתהליכי החיפוש אחר מקורות ביולוגיים לדלק פנו מדענים לא מעטים לצמחי התירס וקנה הסוכר, שמהם אפשר להפיק אתנול (כפי שאכן נעשה כבר בארה"ב ובברזיל). החיסרון בשימוש בצמחים אלה נובע בין היתר מהכמויות הגדולות של תוצרי הנפט הנדרשים לגידולם. בנוסף לכך, שימוש בשטחים נרחבים לגידול תירס וקני סוכר להפקת דלק כבר מעלה את מחירי המזון. דלקים המופקים מצמחי סויה וקנולה מספקים כמות זניחה מהביקוש באירופה. בברזיל, במלזיה ובאינדונזיה כורתים את יערות העד כדי להופכם לשטחי גידול לביו-דלקים, ובכך עלולים להאיץ את התחממות כדור הארץ. לפיכך, מדעני מכון ויצמן סבורים שחלופה יעילה וכדאית יותר עשויה להימצא באוקיינוסים, באגמים, ואף בשלוליות של מים עומדים: אצות.
 
לאצות יש מספר יתרונות בהשוואה ל"צמחי דלק" אחרים. ראשית, אפשר לגדל אותן בשטחים שאינם מתאימים לגידול צמחי מאכל, ולהשקותן במים מלוחים יחסית, שאינם ראויים לשתיה, ואפילו במי-ים. שנית, הן צומחות במהירות ואפשר "לקצור" אותן במשך כל השנה. שלישית, השימוש בהן אינו מותיר פסולת - את חלקי האצה שאינם משמשים להפקת דלק ניתן לנצל לשימושים אחרים, כמו אוכל לבעלי חיים. אפשר למקם מטעי אצות ליד תחנות כוח, כך שהן יטמיעו חלק ניכר מהפחמן הדו-חמצני הנפלט בתהליך הפקת החשמל. כך ניתן להפיק אנרגיה בתהליך ירוק וידידותי לסביבה.
 
לכל אלה יש להוסיף את העובדה, שמזנים אחדים של אצות אפשר להפיק שמן בכמות השווה למחצית מאסת חומר הגלם. "את השמן הזה", אומר פרופ' אביחי דנון מהמחלקה למדעי הצמח במכון ויצמן למדע, "אפשר לסחוט בקלות, ולהמירו לדלק ביולוגי. כבר כיום אפשר להשתמש בדלק הזה במנועי דיזל, ללא השקעה גדולה בהתאמת המנועים לדלק החדש". הפקת דלק ביולוגי מאצות יעילה לפחות פי 30 בהשוואה להפקת דלק מגידולי שדה אחרים. העובדה הזאת הובילה את פרופ' דנון, ואת פרופ' אורי פיק מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון, למחקר משותף אשר נועד ליצור זנים של אצות שיתאימו במיוחד לייצור שמן שאפשר להמירו לדלק ביולוגי.
 
בשלב הראשון מנסים המדענים להבין איך ומתי האצות יוצרות את השמן. כמו צמחים ירוקים, האצות קולטות אנרגיה מהשמש וממירות אותה לסוכרים או לשמנים, אותם הן אוגרות לשעת הצורך. כמובן, כמות האנרגיה שאצה אחת - ייצור חד-תאי - מסוגלת לקלוט, היא מוגבלת למדי. למעשה, יותר מדי אור שמש עלול לגרום לעומס יתר במערכות האצה, ולהאיץ את הייצור של  רדיקלים חופשיים שעשויים לפגוע בתא או אפילו להרוג אותו. בגלל המגבלה הזאת, התא חייב להחליט במה להשקיע את האנרגיה המוגבלת שלו: בגידול (בהתרבות), או בייצור שמן. זו ברירה אכזרית, ואם רוצים לגרום לאצות לייצר יותר שמן, יש להבין היטב את הגורמים המשפיעים על תהליך "קבלת  ההחלטות" של האצות.
 
המדענים עובדים עם מספר זני אצות, שהן בעלות תכונות שונות שמאפשרות להן לגדול בתנאים שונים. הם מפתחים כלים חדשים לזיהוי הגנים ששולטים בחילוף החומרים באצות ולהשוואה ביניהם, ובמיוחד החומרים האחראיים על ההחלטות האם לצבור שמן או להתרבות, האם לקלוט אנרגיה משמש או לחסום אותה. "ברגע שנזהה את הגנים המעורבים בתהליך, ונבין את תפקידיהם, נוכל לפתח דרכים שיאפשרו לנו לשלוט בתהליכי קבלת ההחלטות של האצות", אומר פרופ' דנון. "בדרך זו אנו מקווים ליצור זני אצות שיהיו מקור יעיל להפקת דלק ידידותי לסביבה".
 
פרופ' אביחי דנון  פרופ'אורי פיק
 

כן, לפרק

אחד המכשולים בפני ייצור דלקים ביולוגיים מחומרים אורגניים רבים, כמו פסולת חקלאית, הוא התאית (צלולוזה) שהם מכילים. תאית מצויה בקליפות של צמחים רבים והיא אינה מתפרקת בקלות. האדם, למשל, אינו מסוגל לעכל תאית, שהיא רב-סוכר אשר עשוי לספק אנרגיה רבה. פרופ' אד באייר, מהמחלקה לכימיה ביולוגית, חוקר חיידקים שמפרקים את שרשרת מולקולות הסוכר של התאית ליחידות של חד-סוכר שמזין אותם. בשנות ה-80 של המאה הקודמת, בשיתוף עם פרופ' רפאל למד מאוניברסיטת תל-אביב, גילה פרופ' באייר כיצד פועלת ה"מכונה" שמאפשרת לחיידקים לפרק את התאית. "מכונה זו, הקרויה צלולוזום, בנויה מקבוצה של אנזימים הפועלים כצוות, וכך הם מצליחים להתגבר על התאית ולפרק אותה לגורמים, מלאכה שיצורים גדולים בהרבה מהחיידקים אינם מצליחים לבצע".
 
התאית מהווה כמחצית מהחומר באתרי פסולת. עיקר הפסולת הזו הוא נייר, שנערם ומצטבר שנה אחר שנה. לרוע המזל, חיידקים המצוידים בצלולוזומים, שמאפשרים להם לעכל ולפרק תאית טבעית, מתקשים להתמודד עם התאית שבנייר התעשייתי. כדי לאפשר להם לבצע את המלאכה הזאת, החל פרופ' באייר לחפש דרכים לשכלל את הצלולוזומים של החיידקים. יחד עם פרופ' למד הוא השתמש בשיטות של הנדסה גנטית כדי ליצור מאות גרסאות שונות של צלולוזומים, בתקווה שאחד מהם יתאפיין ביכולת לפרק את התאית שבנייר ביעילות מספקת.
 
בשלב זה חבר אליהם פרופ' גדעון שרייבר, מומחה לעיצוב חלבונים והתאמת הפעילות ביניהם, מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן למדע. בכוחות משותפים הצליחו מדעני המכון לפתח צלולוזום מלאכותי בעל פעילות מוגברת, שמסוגל להפוך צלחת מעבדה מלאה נייר גרוס לנוזל של מולקולות סוכר פשוטות בתוך יום אחד.
 
את הסוכרים הפשוטים שנוצרים בתהליך הזה אפשר להמיר לאתנול. בימים אלה מנסים המדענים להגביר את מידת יעילותו של התהליך הזה, כך שאפשר יהיה להפעילו בקנה מידה תעשייתי. הצלחה בתחום זה עשויה להוביל, בעתיד, לפיתוח תהליך של הפיכת פסולת נייר, אשר מהווה איום סביבתי, לדלק יעיל וידידותי לסביבה.
 
פרופ' אד באייר
 

הברירה הטבעית

אם אפשר להנדס אצות וחיידקים כדי ליצור דלקים ביולוגיים, האם אפשר יהיה לגרום להם לייצר מימן, הנחשב לדלק העתיד? מימן עשוי להיות הדלק הנקי מכולם, שכן תוצר הלוואי משריפתו הוא מים. אלא שרוב השיטות הקיימות כיום ליצור מימן כרוכות בשימוש בדלקים מאובנים (נפט ופחם).
 
קבוצת מדענים מצרפת, ספרד, שוודיה, אנגליה, פורטוגל וישראל, שבה חבר פרופ' דן תופיק מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן למדע (על עבודה נוספת של פרופ' תופיק, ראו בעמוד 16 בגיליון זה), חוקרת את האפשרות ליצור חיידק שיפיק מימן באופן נקי וכדאי מבחינה כלכלית. הם החלו לבחון חיידקים הקרויים "ציאנו-בקטריה" (שבעבר כונו לעיתים "אצות כחולות-ירוקות", על-אף העובדה שהם אינם אצות). ליצורים הפוטוסינתטיים החד-תאיים האלה יש היסטוריה ארוכה של ייצור חומרים החיוניים לאדם. הם היו בין היצורים הראשוניים ששיחררו חמצן לאטמוספירת כדור-הארץ (דבר שסלל את הדרך לאבולוציה של בעלי-החיים הנושמים חמצן), וחלק מהם מחזיקים חנקן בקרקע כך שצמחים כמו אורז יכולים לנצל אותו.
 
החוקרים מתכוונים להשתמש בגישה חלוצית לפיתוח החיידק החדש. במקום לשנות את הפעילות של גן או שניים כדי למקסם את הביצוע, הם רוצים להנדס מערכת שלמה חדשה של מרכיבים ביולוגיים אשר יעוצבו במיוחד כך שיתאימו לתיפקודים המבוקשים. אחת השיטות שבהן ישתמשו המדענים כדי להשיג את המטרה הזאת היא שיטה לאבולוציה מהירה של אנזימים, במבחנה, שפיתח פרופ' תופיק.    
 
פרופ' דן תופיק
 
 

חמש עובדות על משבר האנרגיה

• הביקוש לאנרגיה גובר בשנים האחרונות, בעיקר בשל עליית רמת החיים בעולם השלישי, ובמיוחד בסין ובהודו.

• ארגון האנרגיה העולמי צופה שאם דפוסי הביקוש האלה יימשכו, יעלה הביקוש לאנרגיה בשיעור של כ-60% עד לשנת 2030.

• מקורות הנפט אוזלים והולכים, ומחיר התלות הפוליטית במדינות הנפט מסכן את שלום העולם ואת ביטחונה של ישראל.

• המשך העלייה של מחיר הנפט מאיים על יציבות הכלכלה העולמית.

• שריפת דלקים מאובנים גורמת לזיהום אוויר ומגדילה את שיעורי פליטת גזי החממה המצטברים באטמוספירה, דבר שעלוללהחמיר את התחממות כדור-הארץ.

 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם