ניצול אנרגיית השמש

01.01.1999
01-01-1999
 
 
פיתוח דרכים לניצול יעיל וכדאי של אנרגיית השמש, הבלתי מתכלה והידידותית לסביבה, הוא אחד האתגרים החשובים העומדים כיום בראש סולם העדיפויות של ישראל בפרט, ושל העולם בכלל. מכון ויצמן למדע מפעיל את אחד ממתקני המחקר המתקדמים ביותר בעולם בתחום זה. זהו "מגדל השמש" שבו עוסקים מדעני המכון בפיתוח טכנולוגיות חדשות ובשיפור יעילותן של מערכות קיימות. מחקריהם העכשוויים של  מדעני המכון בתחום זה, מכוונים בעת ובעונה אחת למטרות אחדות: פיתוח שיטה יעילה וכדאית לקליטה, איחסון והעברה של אנרגיה שמקורה בקרינת השמש, מאזורים צחיחים (שבהם היא מצויה בשפע), לאזורים שבהם היא נדרשת; פיתוח שיטה יעילה וזולה להפרדת מימן ממים (המימן הוא דלק יעיל ושריפתו כמעט שאינה גורמת לזיהום הסביבה); יצירת לייזרים סולאריים העשויים להוות מקורות אנרגיה לתעשייה הכימית וכן לשמש לתקשורת לוויינים; פיתוח תאים סולאריים חדשים ומתוחכמים ובניית מערכות להנעת טורבינות לייצור חשמל.
 
 
 
 

 

מדעי הסביבה וחקר האנרגיה


משטחים

משטחים ייחודיים שתוכננו ועוצבו במכון משמשים כיום בקולטים מסחריים של קרינת שמש לחימום מים. לוחות אלה, המותקנים בישראל ובארצות אחרות, מפגינים יעילות גבוהה של קליטת והמרת אנרגיה, והם ניכרים בעמידות טובה לאורך זמן.
 
 

 

ניצול אנרגיית השמש - תמונת מצב

מגדל השמש שבמכון ויצמן למדע הוא אחד מהמתקנים המתקדמים בעולם בתחום המחקר והפיתוח של שיטות לניצול אנרגיית שמש. המדענים העובדים במגדל שואפים לפתח טכנולוגיות חדשות, שיאפשרו ניצול יעיל וזול יחסית של אנרגיית השמש, דבר שעשוי להפחית במידה ניכרת את השימוש בדלקים שונים ששריפתם מזהמת את הסביבה.
 
 

 

לעמוד בלחץ

 
 
קולט קרינת שמש מהפכני, שפותח בידי מדעני המכון, עשוי לקדם את האפשרות לשימוש בטורבינות גז יעילות להפקת חשמל. בקולט מורכבות מאות "סיכות" הבנויות מחומר קרמי מתקדם, המוצבות במבנה גיאומטרי מתוחכם שמאפשר מצד אחד קליטה מרבית של קרינת השמש, ומצד שני, מונע שבירה של הסיכות הקרמיות כתוצאה מהתפשטות והתכווצות (תופעות הנובעות משינויי טמפרטורה חריפים).

אוויר שזורם בין הסיכות מתחמם ומוזרם אל טורבינת הגז המפיקה חשמל. מערכת זו של סיכות קרמיות מכונה "קיפוד".
 
כדי "להכניס" את אור השמש אל ה"קיפוד", פיתחו מדעני המכון חלון זכוכית (קווארץ) מיוחד (קוני), שיכולתו לעמוד בלחץ גדולה, בערך, פי חמישה מכוח העמידה בלחץ של פלדה. יכולת זו של החלון לעמוד בלחץ מאפשרת לחוקרים להזרים במערכת אוויר בלחץ רב, הדרוש להפעלה יעילה של טורבינת הגז המפיקה חשמל.
 
 

 

טורבינות גז

 

 
 
 
רוב הטורבינות המשמשות כיום להפקת חשמל, מופעלות בקיטור. כדי להגיע ליעילות רבה מזו של טורבינות הקיטור, יש לעבור לשימוש בטורבינות גז (למשל, טורבינות המופעלות באוויר דחוס שחומם עד לטמפרטורות גבוהות מאוד, יותר מאלף מעלות צלסיוס). החוקרים שמבקשים לחמם את האוויר לטמפרטורה זו באמצעות אנרגיית השמש, צריכים לרכז לשם כך את אורה של השמש, עד לרמת ריכוז המגיע לפי עשרת אלפים ויותר מצפיפותו של אור השמש המגיע לכדור הארץ. כדי להגיע לריכוזי אור גבוהים כל כך, פותחו ושוכללו במכון "משפכים" אופטיים בעלי מבנה גיאומטרי מיוחד. "משפכים" אלה אוספים את אור השמש ומרכזים אותו עד למידת ריכוז הקרובה מאוד למידת הריכוז המרבית האפשרית.
 
במכון מוקמת מערכת ניסיונית להפקת חשמל באמצעות אנרגיית שמש, בשיתוף עם החברות התעשייתיות "רותם תעשיות" ו"אורמת תעשיות", ומשרד התעשייה והמסחר. מערכת זו תשלב טכנולוגיות שונות שפיתוחן החל במכון, והיא תהיה המתקן הראשון בעולם שישתמש באנרגיית שמש, באופן ישיר, להפעלת טורבינת גז להפקת חשמל. על בסיס המערכת הניסיונית הזאת מתכננות החברות השותפות בפרויקט, לפתח ולשווק תחנות כוח סולאריות מסחריות בהספקים שונים.
 
 

 

צינור החום הכימי

תפיסה מקורית שפיתחו חוקרי המכון עשויה לאפשר המרה של קרינת השמש לאנרגיה כימית, הניתנת לאחסנה ולהובלה. מדובר בתהליך מחזורי "סגור", בלתי מזהם וידידותי לסביבה. התפיסה מבוססת על שלושה שלבי פעולה עיקריים: 1. קרינת השמש המגיעה לפני השטח באזורים מדבריים תרוכז ותבצע תהליכים כימיים תרמיים (המתבצעים רק בטמפרטורה גבוהה). 2. החומרים הכימיים שייווצרו בתהליכים האלה יאוחסנו או יובלו לאזורים שבהם נדרשת האנרגיה. 3. בשלב האחרון בשרשרת, בסמוך לאזורים שבהם נדרשת האנרגיה, יבוצע תהליך כימי הפוך, שיתבטא בין היתר בשיחרור החום שישמש לייצור קיטור תעשייתי, או להנעת טורבינות שייצרו חשמל. במכון נבנתה והופעלה מערכת כוללת כזאת, בהיקף טרום-תעשייתי (שהספקה 500 קילו-וואט).
 
 

 

דלק נקי

מדעני המכון מפתחים שיטות לשימוש באנרגיית שמש להמרת חומרים אורגניים מוצקים, דוגמת פחם ועץ, לדלקים גזיים ונוזליים (באמצעות פירוליזה או גזיפיקציה שלהם). ייתכנות התהליך הוכחה בניסויים ראשוניים, בקנה מידה קטן.
 
במחקר אחר מפתחים מדעני המכון שיטה לפירוק תרמי של מים בטמפרטורה גבוהה, באמצעות קרינת שמש מרוכזת. מטרת הפירוק היא הפקת מימן שהוא אחד ממרכיבי המים (מולקולת מים מורכבת משני אטומי מימן ומאטום חמצן אחד). כדי להפריד את המימן מיד ברגע היווצרו, משתמשים המדענים במסנן קרמי ייחודי. המימן הוא דלק יעיל ו"ידידותי לסביבה". שריפתו כמעט שאינה גורמת לזיהום סביבתי, כך שליכולת להפיקו ולהשתמש בו להנעת כלי רכב ומכונות תעשייתיות עשויה להיות חשיבות רבה, הן בפתרון משבר האנרגיה והן בשמירה על איכות הסביבה.
 
 

 

אוגרים אנרגיה

שיטה אחרת לניצול אנרגיית השמש מבוססת על שימוש באנרגיית שמש מרוכזת להשגת טמפרטורות גבוהות, הנחוצות לחיזור ולהפקת מתכות מתוך תחמוצותיהן (למשל הפקת אבץ מתחמוצת אבץ). האבץ יכול לשמש במצברי אבץ-אוויר, המייצרים אנרגיה חשמלית ביעילות רבה תוך הפקה של תחמוצת אבץ, שחוזרת לראשית התהליך, או להפקת מימן ממים. המימן הוא דלק יעיל, נקי ו"ידידותי לסביבה". ייתכנותו של התהליך הזה הוכחה בניסויים מעבדתיים.
 
 

 

שאלה של צבע

אור השמש עשוי לשפר במידה ניכרת את היעילות שבה מבוצעים תהליכים כימיים תעשייתיים שונים. אלא שלמעשה, כל תהליך כימי עשוי להיעזר רק בחלק קטן של אור השמש - רק באור שצבעו מוגדר במדויק.
 
כדי לאפשר שימוש תעשייתי בקרינת שמש בעלת צבע מדויק, פיתחו מדעני המכון מערכת שמרכזת את אור השמש עד לגבול המעשי המרבי - כמחצית מצפיפות האור על פניה של השמש עצמה. בשלב הזה מפרידים החוקרים את הקרינה לצבעים (נתחים ספקטרליים) שונים ומדויקים, ומפיקים ממנה אור לייזר בצבע מדויק. לייזרים אלה עשויים לשמש מקור אנרגיה לתהליכים כימיים שונים (כאמור, כל צבע מתאים לשמש מקור אנרגיה לתהליכים כימיים מסוימים בלבד). הלייזרים בעלי הצבע המדויק עשויים לשמש גם לתקשורת ולחישה מרחוק בחלל.
 
 

 

אחד על אחד

מדעני המכון פיתחו טכניקה מקורית המאפשרת לשפר במידה ניכרת את הניצולת בתהליכי הפקת חשמל באמצעות חשיפה לאור של מוליכים למחצה העשויים צורן (סיליקון). רגישותם של מוליכים למחצה עשויים צורן (סיליקון) לאור מנוצלת במגוון רחב של יישומים תעשייתיים, ובכלל זה איחסון מידע אופטי, מיקרו-אלקטרוניקה וייצור של חשמל בהתאם פוטו-וולטאיים (תא פוטו-וולטאי קולט קולט אור ומפיק ממנו חשמל). כן משתמשים בהם כבגלאי קרינה מסוגים שונים, כגון קרינת אור נראה, קרינת X ("רנטגן") ועוד. הטכניקה שפיתחו מדעני המכון מייעלת במידה ניכרת את התהליכים האלה, והיא מיושמת בתעשייה במקומות רבים ושונים בעולם.
 
הטכניקה החדשה מבוססת על צריבה וחיספוס של פני המוליך למחצה, כאשר הוא מואר ושרוי בתמיסה אלקטרוליטית - ובאותה עת מעבירים זרם חשמלי דרך שטח הפנים שלו. כך אפשר לפתור שתי בעיות מרכזיות הגורמות ירידה בניצולת של תא פוטו-וולטאי. הבעיה הראשונה נובעת מנטייתם של האלקטרונים הנושאים את הזרם החשמלי (שהם בעלי מטען חשמלי שלילי), להיצמד למטענים חשמליים חיוביים. איחוד כזה גורם, למעשה, לביטול המטען החשמלי של החלקיקים, ובכך הוא מפחית את ייצור הזרם של המתקן כולו. בעיה זו מחריפה בשל זיהומים על פני שטח המוליך למחצה, המפזרים את המטענים החשמליים שנוצרו, כתוצאה מההארה, ומשבשים את זרימתם. הטכניקה החדשה מאפשרת לסלק את הזיהומים באופן בררני.
 
הבעיה השנייה נובעת מהחזרת אור הפוגע בשטח הפנים של המוליך למחצה. החזרה זו מפחיתה בכשליש את כמות האנרגיה הזמינה לייצור חשמל. השיטה החדשה יוצרת שטחי פנים מחוספסים, בסדר גודל תת-מיקרוני, המקטינים במידה ניכרת את החזרת האור. למעשה, בשיטה החדשה כמעט כל פוטון (חלקיק אור) הפוגע בתא יוצר אלקטרון (כלומר, חשמל).
 

 

מדעי הסביבה

 

בטיחות בתעשייה

כימאים מהמכון מסייעים להגברת הבטיחות בתעשייה בכך שהם מפתחים תחליפים לחומרים פעילים, מסרטנים ונדיפים הנפלטים בנקל לסביבה. התחליפים החדשים הללו משמשים לייצור פולימרים שונים המשמשים, למשל, לייצור קרומים של מחליפי-יונים במערכות התפלת מים.
 
 

 

לאן נעלם הפחמן הדו-חמצני

חוקרי המכון פיתחו שיטת מדידה חדשה לשיעור הצריכה של פחמן דו-חמצני על- ידי הצמחייה. המערכת מאפשרת להבחין בין הפחמן הדו-חמצני שנטמע בצמחים בתהליך הפוטו-סינתזה, לבין כמויות הפחמן הדו-חמצני שנפלט בתהליכי נשימה מהצמחים ומהקרקע. השיטה מבוססת על מדידת היחס בין שתי גרסאות (איזוטופים) של חמצן שמצויים בפחמן הדו-חמצני, באוויר שמעל לצמחים (חמצן 16 וחמצן 18). היחס הכמותי בין שתי גרסאות החמצן האלה תלוי בין השאר בקצב שבו מתבצעים תהליכי חילוף הגזים בין הצמח לבין האטמוספירה. במלים אחרות, ככל שהצמח קולט ומטמיע כמויות גדולות יותר של פחמן דו-חמצני, מתרכזות באוויר שמעל לצמח כמויות גדולות יותר של הגרסה הכבדה של החמצן (חמצן 18).
 
שיטת המדידה החדשה שפיתחו חוקרי מכון ויצמן למדע, מאפשרת לחשב בדייקנות את כמויות הפחמן הדו-חמצני שמטמיעים הצמחים. תוצאות שיתקבלו במדידות אלה, שיוכנסו למודלים אקלימיים ממוחשבים, עשויות לשפר את יכולתם של החוקרים להבין את מאזן הפחמן שנותר באטמוספירה ופועל - ברובו - כגז חממה. הבנה זו תביא לשיפור יכולת החיזוי והניבוי של המודלים האקלימיים האלה.
 
 

 

אקלים

מי מנדנד את מזג האוויר מדען מהמכון הציע הסבר לאופי הכאוטי של תופעת ה"אל ניניו" באוקיינוס השקט. "אל ניניו" כרוך בהתחממות חריגה של פני האוקיינוס השקט מדי שלוש עד שבע שנים, בקרבת חג המולד. ("אל ניניו" בספרדית, משמעו "הילד", שהוא ישו הנוצרי, שאת הולדתו חוגגים בחג המולד). על פי ההסבר המוצע לתופעה, מחזור עונות השנה (הכולל רוחות, שינויים בטמפרטורות המים והאוויר, ועוד), משפיע על תנועת הגלים הפנימיים באוקיינוס השקט בדרך השקולה ל"דחיפה" המבוצעת מדי שנה. דחיפה מחזורית זו, בשילוב עם תהליכים לא ליניאריים שונים, עשויה להעניק את האופי הלא-מחזורי (כאוטי) להתחממות פני האוקיינוס.
 
"אל ניניו" גורם למזג אוויר קשה וחריג במיוחד ברחבי העולם: שטפונות, היעלמות דגה, בצורות קשות, סופות, ועוד. אירועים אלה גורמים סבל רב לאוכלוסיות גדולות מאוד, ומעבר לזה, הם גם גורמים נזקים כבדים מאוד לכלכלתן של הארצות שבהן מתחוללים האירועים. הבנת תופעת ה"אל ניניו" - ומחזוריותה המשתנה - עשויה לסייע בחיזוי האירועים ובהיערכות כלכלית מתאימה לקראתם.
 

 

הים, האקלים, ומודלים הפוכים

 
 
 
 
מדענים מהמכון, שפעלו בשיתוף פעולה עם עמיתים אמריקאיים, פיתחו מודל מתמטי אוקיינוגרפי עולמי, ראשון מסוגו. המודל נבנה בשיטה הלקוחה מתחום הרובוטיקה, הניווט והבקרה, הקרויה "שליטה אופטימלית". בשיטה יעילה במיוחד זו, עלות החישוב היא ליניארית עם מספר המשתנים במודל (ולא עולה בריבוע, כמו במודלים הקודמים).
 
המודל הזה בנוי "הפוך" בהשוואה למודלים אחרים. מודלים רגילים דורשים נתונים של הרוחות המניעות את זרמי הים, ומחשבים את שינויי הטמפרטורה והמליחות של האוקיינוס, כדי לנסות להסיק את תוצאותיהם האקלימיות. אלא שנתוני הרוחות הקיימים אינם אמינים, ואילו הטמפרטורה והמליחות ידועים היטב, יחסית. לכן בנו החוקרים מודל המסוגל "לחשב לאחור" ולגלות את הרוחות ושאר גורמים לא ידועים, שהובילו למצב הידוע של הטמפרטורה והמליחות. השיטה החדשה מאפשרת שימוש במודלים מפורטים ומדויקים יותר, והיא עשויה להוביל לשיפור היכולת לחזות שינויים אקלימיים אפשריים בכדור הארץ.
 

 

מים

 

בחירת הצמחים

מדעני המכון גילו כי צמחים שמצליחים להכות שורש לחופו של ים המלח אינם יונקים את המים החיוניים להם, מסביבתם המיידית (המכילה מים מלוחים מדי); במקום זאת, הם יונקים רק את מי שטפונות הגשמים שמגיעים מדי פעם ממדרונות הרי יהודה. ממצא זה רומז שהצמחים מסוגלים להבחין בין המים המלוחים (המצויים בסביבתם תמיד) לבין מי השטפונות (המגיעים לסביבתם לעתים), ולינוק באופן ייחודי ובררני רק את מי השטפונות.
 
הדרך שבה הצמחים מזהים את המים הרצויים, בעודם מחוץ לגופם, עדיין אינה מובנת כל צורכה. הבנת התהליך הזה תוכל לאפשר אולי, בעתיד, לפתח צמחים שיתאימו במיוחד לחיים בתנאים קשים, דוגמת אלה הקיימים כיום לחוף ים המלח.
 
 

 

שומרים על כל טיפה

מדעני המכון גילו שבאזורים מוגדרים בערבה קיימות במעבה האדמה "מלכודות" מי תהום, הדומות ל"מלכודות" נפט. לתגלית זו נודעת חשיבות רבה, מכיוון שמי התהום שלכודים ב"מלכודת" גיאולוגית, במעין "בועה" שאין יוצא ממנה ואין בא אליה, לא יזדהמו ולא ייפגעו כתוצאה מזיהומים סביבתיים חמורים וזמניים, כך שהם יוכלו לשמש מאגרי חירום.
 
 

 

מים רכים

כשמים "קשים" (המכילים מינרלים סידניים) זורמים בצינור, מצטברים מלחים ומינרלים על דפנות הצינור, דבר שעלול לגרום לסתימתו. מפעלים תעשייתיים, מפעלי מים עירוניים וגורמים פרטיים מנסים להתגבר על התופעה הזאת באמצעות ציוד לריכוך מים, המרחיק את הסידן מן המים. אלא שהשיטות המקובלות בתחום זה מבוססת על שימוש בחומרים העלולים לפגוע באיכות המים. כדי להתגבר על הבעיה הזאת, פיתחו מדעני המכון שיטת סינון ייחודית המבוססת על לכידת מלחי סידן באופן שאינו כרוך בשיחרור חומרים מזהמים לסביבה.
 
 

 

מה מכילים המים

מדעני המכון פיתחו שיטה לבחינת תכולתם של מי תהום ומי מאגרים ואגמים. השיטה מבוססת על שימוש בדוגם רב-שכבתי הכולל עשרות (ולעתים מאות) תאים נפרדים, שכל אחד מהם מכוסה בקרום חדיר למחצה. כך דוגם כל תא את הזיהום המצוי בעומק אחר. לאחר ביצוע הדיגום, בודקים החוקרים את החומרים המומסים ומזהים אותם. מערכת זו כבר שימשה לבחינת מגמות של זיהום מים באקוויפרים שונים בישראל ובמקומות נוספים בעולם. יכולתה של המערכת להסתפק בדגימות מים קטנות יחסית, איפשרה לה לגלות זיהומים בשלבים מוקדמים, שבהם עדיין ניתן לעצור את המשך הזיהום ולמנוע את הרס האקוויפר. מדעני המכון השתמשו בשיטה גם לחקר ים המלח והכינרת. מחקרים אלה תרמו רבות להשגת ידע על הכימיה של מקווי מים אלה, וסיפקו מידע על מקורות הזיהום ועל המלחים החודרים לתוכם.
 
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם