الكهرباء من البحر

طور الباحثون في التخنيون طريقة جديدة لإنتاج الكهرباء من الطحالب بطريقة فعالة وصديقة للبيئة. الفكرة التي ولدت في ذهن طالب الدكتوراه يانيف شلوسبيرغ أثناء السباحة في البحر، تم تطويرها إلى نموذج أولي من قبل باحثين من ثلاث كليات في التخنيون مع باحث في "استكشاف البحار والبحيرات لإسرائيل"

يقدم الباحثون في مجلة Biosensors and Bioelectronics طريقة جديدة لإنتاج الكهرباء مباشرة من الأعشاب البحرية. تم تطوير هذه الطريقة بالتعاون بين برنامج الطاقة وكليات الكيمياء والأحياء والتكنولوجيا الحيوية والهندسة الغذائية في التخنيون وشركة أبحاث البحار والبحيرات الإسرائيلية (خييل). إن الاستخدام التقليدي للوقود الأحفوري ينطوي على الكثير من التلوث البيئي ويساهم في الظواهر المناخية غير العادية التي نشهدها والتي تقلق العالم أجمع. وعلاوة على ذلك - أيضا عملية إنتاجهم من هذه الأنواع من الوقود الضارة بالبيئة. هذه هي الخلفية لتطوير تقنيات جديدة لإنتاج الطاقة المتجددة والصديقة للبيئة.

أحد الأساليب الواعدة، والتي استخدمتها العديد من المجموعات البحثية لعقود من الزمن، هو استخدامخلايا الوقود الميكروبية. وتعتمد هذه الخلايا على قدرة بعض أنواع البكتيريا على إصدار الإلكترونات؛ إن وضع مثل هذه المستعمرات البكتيرية بالقرب من القطب الكهربائي في الخلية يسمح بتوليد الكهرباء. هذه الطريقة لها عيبان ملحوظان: التكلفة الاقتصادية والمخاطر الصحية تنطوي على نمو كميات كبيرة من البكتيريا داخل الخلايا الكهروكيميائية.

ونتيجة لذلك، ولدت تكنولوجيا أخرى: الخلايا الكهروكيميائية الحيوية. وهنا أيضًا، وعلى غرار خلايا الوقود الميكروبية، فإن مصدر توليد الكهرباء بهذه الطريقة هو البكتيريا، ولكن هذه المرة هي البكتيريا الزرقاء (المعروفة أيضًا باسم الطحالب الخضراء المزرقة): بكتيريا قادرة على القيام بعملية التمثيل الضوئي مثل النباتات. ومع ذلك، فإن البكتيريا الزرقاء لها حدودها الخاصة: أولاً، على عكس الخلايا الميكروبية، لا تنتج البكتيريا الزرقاء إلكترونات في الظلام، لأن عملية التمثيل الضوئي تحدث فقط في وجود الضوء. ثانياً، لإنتاج كمية كبيرة من الكهرباء، التي تتنافس مع تقنيات مثل الخلايا الشمسية أو خلايا الوقود الهيدروجينية، يتطلب الأمر كمية هائلة من البكتيريا الزرقاء، وهذا يعني مساحات كبيرة ومكلفة.

في الدراسة الحالية، عرضت مجموعة من الباحثين من ثلاث كليات في التخنيون والجيش الإسرائيلي إنتاج الكهرباء من مصدر بحري آخر: الأعشاب البحرية. تم قيادة البحث البروفيسور نعوم أدير וطالب الدكتوراه يانيف شلوسبيرغ من كلية شوليخ للكيمياء وبرنامج الطاقة الكبير في التخنيون، بالتعاون مع زملائهم د. توند توت من كلية الكيمياء؛ البروفيسور غادي شوستر، الدكتور ديفيد ميري، نمرود كروبنيك، وبنجامين إيشنباوم من كلية الأحياء; عمر يحزقالي وماتان ميروفيتش من كلية التكنولوجيا الحيوية والهندسة الغذائية؛ والدكتور ألفارو إسرائيل من هيال في حيفا.

أنتج التطوير الأولي للطريقة تيارًا كهربائيًا أكبر بألف مرة وأكثر من تلك التي تنتجها البكتيريا المتوسطة - وهو مستوى يقترب من التيارات المنتجة في الخلايا الشمسية. ووفقا للبروفيسور أدير، فإن الكفاءة العالية ترجع إلى عاملين رئيسيين: معدل التمثيل الضوئي السريع للأعشاب البحرية، وفي المقام الأول طحالب البحر الأبيض المتوسط ​​الخضراء التي تسمى أولفا، والملوحة العالية لمياه البحر، والتي تعمل بشكل فعال كإلكتروليت - السائل الموصل في الخلية الكهروكيميائية. بالإضافة إلى ذلك، على عكس الخلايا الكهروكيميائية المعتمدة على البكتيريا الزرقاء، فإن الأعشاب البحرية قادرة على توليد الكهرباء ليلا و نهارا; خلال ساعات الضوء يتم الحصول على الطاقة بشكل رئيسي من عملية التمثيل الضوئي، بينما خلال ساعات الظلام تأتي من الجزيئات التي يفرزها الحلزون والتي تنشأ من عملية التنفس. تقوم هذه الجزيئات، التي تسمى "وسطاء الإلكترون"، بتوصيل الإلكترونات إلى القطب الكهربائي للخلية الكهروكيميائية الحيوية لتوليد الكهرباء.

לاستخدام الأعشاب البحرية لإنتاج الكهرباء له العديد من المزايا. وهي تنمو بسرعة ويمكن زراعتها في البحر أو في منشآت على الأرض، دون الحاجة إلى المياه العذبة والأراضي الزراعية تقريبًا.  تنقسم طرق إنتاج الطاقة إلى فئتين عامتين: الأكثر تلويثًا هي التقنيات الإيجابية للكربون، والتي تنطوي على عمليات الاحتراق وانبعاث الكربون، وتضر الغلاف الجوي وتساهم في ظاهرة الاحتباس الحراري؛ والتقنيات المحايدة للكربون، على سبيل المثال الخلايا الشمسية، التي لا يتضمن نشاطها انبعاثات الكربون (على الرغم من أن إنتاجها ونقلها ملوث). الطريقة الجديدة التي قدمها باحثو التخنيون في الواقع تم إنشاء فئة جديدة: الكربون السلبي. لا يقتصر الأمر على أنها لا تنطوي على انبعاثات الكربون؛ في عملية التمثيل الضوئي، يتم امتصاص الكربون وإطلاق الأكسجين - وهي عملية تساهم في الغلاف الجوي. عدا عن ذلك فإن استخدام الطحالب لإنتاج الكهرباء بهذه الطريقة لا يضر بمعدل نمو الطحالب وبالتالي يسمح باستخدامها الموازي لاحتياجات أخرى في الصناعات الغذائية والأدوية ومستحضرات التجميل.

يقول طالب الدكتوراه يانيف شلوسبيرغ، الذي توصل إلى المفهوم الأصلي: "إنه لأمر رائع أن نكتشف كيف ظهرت فكرة علمية". "لقد توصل الفيلسوف الشهير أرخميدس إلى ما يسمى الآن بقانون أرخميدس في الحمام، وقد حدث لي ذلك عندما كنت أسبح في البحر، في الوقت الذي كنت أبحث فيه عن إمكانية توليد الكهرباء باستخدام البكتيريا الزرقاء. وفجأة رأيت على إحدى الصخور عشبًا بحريًا ذكرني بسلك كهربائي، فقلت لنفسي - الأعشاب البحرية أيضًا تقوم بعملية التمثيل الضوئي، ربما يمكننا توليد الكهرباء منها. التطور الذي ولد من هذه الفكرة، في العمل المشترك للباحثين من مجموعات مختلفة في التخنيون وجيش الدفاع الإسرائيلي، أدى الآن إلى مقال علمي وأعتقد أنه من المتوقع أن يحدث ثورة تكنولوجية كبيرة في سوق الطاقة. "

وقام باحثو التخنيون ببناء نموذج أولي لخلية كهروكيميائية تعرض التكنولوجيا المذكورة. ووفقا للبروفيسور أدير، "باستخدام النموذج الأولي، أثبتنا إنتاج كميات كبيرة من الكهرباء مباشرة من الأعشاب البحرية. ونحن نعتقد أن الإضافات الإضافية لهذه الطريقة ستزيد من إنتاج التيار الكهربائي ولأول مرة تمهد الطريق لتطوير حلول مستقبلية لإنتاج الطاقة الخضراء في الخلايا الكهروكيميائية الحيوية.

للمقال في المجلة  أجهزة الاستشعار الحيوية والالكترونيات الحيوية   לعبور هنا