الطاقة الخضراء

يعمل معهد وايزمان حاليا على ثلاثة اتجاهات بحثية في مجال الطاقة البديلة. الأفكار والتجارب التي ربما تؤدي في معظم الأيام إلى تطبيقات متقدمة

تشكل أزمة الطاقة العالمية تحديًا كبيرًا للعلماء في إسرائيل وفي جميع أنحاء العالم. ولا يمكن المبالغة في أهمية الجهود الرامية إلى إيجاد بدائل فعالة للنفط، بحيث تكون عمليات إنتاجه واستهلاكه صديقة للبيئة. ويعمل علماء معهد وايزمان على هذه الجبهة في عدة اتجاهات.

ابحث عن التسارع

البروفيسور أوري بيك والبروفيسور أفيحاي دانون

في عملية البحث عن مصادر بيولوجية للوقود، تحول عدد غير قليل من العلماء إلى نباتات الذرة وقصب السكر، حيث يمكن إنتاج الإيثانول (كما حدث بالفعل في الولايات المتحدة والبرازيل). وينبع مساوئ استخدام هذه النباتات، من بين أمور أخرى، من الكميات الكبيرة من المنتجات البترولية اللازمة لزراعتها. بالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام مساحات واسعة لزراعة الذرة وقصب السكر لإنتاج الوقود يؤدي بالفعل إلى ارتفاع أسعار المواد الغذائية. ولا يوفر الوقود المنتج من مصانع الصويا والكانولا سوى قدر ضئيل من الطلب في أوروبا. وفي البرازيل وماليزيا وإندونيسيا، يتم قطع الغابات لتحويلها إلى مناطق لزراعة الوقود الحيوي، وبالتالي من المحتمل أن يؤدي ذلك إلى تسريع ظاهرة الاحتباس الحراري. ولذلك، يعتقد علماء معهد وايزمان أنه يمكن العثور على بديل أكثر فعالية وقابلية للتطبيق في المحيطات والبحيرات وحتى في برك المياه الراكدة: الطحالب.

تتمتع الطحالب بالعديد من المزايا مقارنة بـ "محطات الوقود" الأخرى. أولاً، من الممكن زراعتها في مناطق غير مناسبة لزراعة النباتات الصالحة للأكل، وريها بمياه مالحة نسبياً غير صالحة للشرب، وحتى بمياه البحر. ثانيًا، تنمو بسرعة ويمكنك "حصادها" على مدار العام. ثالثًا، لا يترك استخدامها أي نفايات - فأجزاء الطحالب التي لا تستخدم لإنتاج الوقود يمكن استخدامها لاستخدامات أخرى، مثل علف الحيوانات. ويمكن وضع مزارع الطحالب بالقرب من محطات توليد الكهرباء، بحيث تمتص جزءاً كبيراً من ثاني أكسيد الكربون المنبعث من عملية إنتاج الكهرباء. هذه هي الطريقة التي يمكن بها إنتاج الطاقة بعملية خضراء وصديقة للبيئة.

ويجب إضافة إلى كل ذلك حقيقة أنه من الممكن إنتاج زيت من بعض أنواع الطحالب بكمية تعادل نصف المادة الخام. يقول البروفيسور أفيهاي دانون من قسم علوم النبات في معهد وايزمان للعلوم: "هذا الزيت يمكن عصره بسهولة وتحويله إلى وقود حيوي. واليوم بالفعل، يمكن استخدام هذا الوقود في محركات الديزل، دون الحاجة إلى استثمار كبير في تكييف المحركات مع الوقود الجديد. إن إنتاج الوقود الحيوي من الطحالب أكثر كفاءة بما لا يقل عن 30 مرة من إنتاج الوقود من المحاصيل الحقلية الأخرى. هذه الحقيقة دفعت البروفيسور دانون، والبروفيسور أوري بيك من قسم الكيمياء الحيوية في المعهد، إلى إجراء بحث مشترك يهدف إلى إنشاء سلالات من الطحالب تكون مناسبة بشكل خاص لإنتاج النفط الذي يمكن تحويله إلى وقود حيوي. في الخطوة الأولى، يحاول العلماء فهم كيف ومتى تنتج الطحالب الزيت. مثل النباتات الخضراء، تمتص الطحالب الطاقة من الشمس وتحولها إلى سكريات أو زيوت، والتي تخزنها عند الحاجة.

وبطبيعة الحال، فإن كمية الطاقة التي يمكن أن تمتصها خلية واحدة - إنتاج خلية واحدة - محدودة للغاية. في الواقع، يمكن أن يؤدي التعرض لأشعة الشمس بكثرة إلى زيادة العبء على أنظمة التسريع، مما يؤدي إلى تسريع إنتاج الجذور الحرة التي يمكن أن تلحق الضرر بالخلية أو حتى تقتلها. وبسبب هذا القيد، يجب على الخلية أن تقرر أين تستثمر طاقتها المحدودة: في النمو (في التكاثر)، أو في إنتاج النفط. إنه خيار قاسٍ، وإذا كنت تريد أن تجعل الطحالب تنتج المزيد من الزيت، فعليك أن تفهم جيدًا العوامل التي تؤثر على عملية "اتخاذ القرار" الخاصة بالطحالب.

ويعمل العلماء مع عدة أنواع من الطحالب، التي لها خصائص مختلفة تسمح لها بالنمو في ظروف مختلفة. ويعملون على تطوير أدوات جديدة للتعرف على الجينات التي تتحكم في عملية التمثيل الغذائي في الطحالب ومقارنتها، وخاصة المواد المسؤولة عن قرارات تراكم الزيت أو التكاثر، سواء امتصاص الطاقة الشمسية أو حجبها. يقول البروفيسور دانون: "بمجرد تحديد الجينات المشاركة في العملية، وفهم أدوارها، سنكون قادرين على تطوير طرق تسمح لنا بالتحكم في عمليات صنع القرار في الطحالب". "وبهذه الطريقة، نأمل في إنشاء سلالات من الطحالب التي ستكون مصدرا فعالا لإنتاج الوقود الصديق للبيئة".

نعم تفكيك

البروفيسور إد باير

إحدى العوائق أمام إنتاج الوقود الحيوي من العديد من المواد العضوية، مثل النفايات الزراعية، هي السليلوز (السليلوز) الذي تحتوي عليه. يوجد السليلوز في لحاء العديد من النباتات ولا يتحلل بسهولة. فالإنسان، على سبيل المثال، غير قادر على هضم السليلوز، وهو مادة متعددة السكاريد قد توفر الكثير من الطاقة. يقوم البروفيسور إد باير، من قسم الكيمياء البيولوجية، بدراسة البكتيريا التي تحلل سلسلة جزيئات سكر السليلوز إلى وحدات سكريات أحادية تغذيها. في الثمانينيات من القرن الماضي، وبالتعاون مع البروفيسور رافائيل ليميد من جامعة تل أبيب، اكتشف البروفيسور باير كيفية عمل "الآلة" التي تسمح للبكتيريا بتكسير السليلوز. "تتكون هذه الآلة، التي تسمى السليلوز، من مجموعة من الإنزيمات التي تعمل كفريق واحد، وبهذه الطريقة يتمكنون من التغلب على السليلوز وتفكيكه إلى مكوناته، وهي مهمة لا تستطيع الكائنات الأكبر حجمًا من البكتيريا القيام بها ". يشكل السليلوز حوالي نصف المواد الموجودة في مواقع النفايات. الجزء الأكبر من هذه النفايات عبارة عن ورق، والذي يتراكم ويتراكم سنة بعد سنة. لسوء الحظ، فإن البكتيريا المجهزة بالسليلوز، والتي تسمح لها بهضم وتكسير السليلوز الطبيعي، تجد صعوبة في التعامل مع السليلوز الموجود في الورق الصناعي.

ولتمكينهم من أداء هذه المهمة، بدأ البروفيسور باير في البحث عن طرق لتحسين السليلوزومات الموجودة في البكتيريا. استخدم مع البروفيسور ليميد أساليب الهندسة الوراثية لإنشاء مئات الإصدارات المختلفة من السليلوزومات، على أمل أن يتميز أحدها بالقدرة على تفكيك السليلوز في الورق بكفاءة كافية. في هذه المرحلة انضم إليهم البروفيسور جدعون شرايبر، الخبير في تصميم البروتين ومطابقة نشاطهم، من قسم الكيمياء البيولوجية في معهد وايزمان للعلوم. ومن خلال العمل معًا، نجح علماء المعهد في تطوير السليلوز الاصطناعي ذو النشاط المتزايد، القادر على تحويل طبق مختبري مليء بالورق الممزق إلى سائل من جزيئات السكر البسيطة خلال يوم واحد. يمكن تحويل السكريات البسيطة التي تتشكل في هذه العملية إلى إيثانول. وفي هذه الأيام، يحاول العلماء زيادة كفاءة هذه العملية، بحيث يمكن تشغيلها على نطاق صناعي. وقد يؤدي النجاح في هذا المجال مستقبلا إلى تطوير عملية تحويل النفايات الورقية التي تشكل خطرا بيئيا إلى وقود فعال وصديق للبيئة.

الانتقاء الطبيعي

البروفيسور دان توفيق

إذا أمكن هندسة الطحالب والبكتيريا لإنتاج الوقود الحيوي، فهل سيكون من الممكن جعلها تنتج الهيدروجين، الذي يعتبر وقود المستقبل؟ قد يكون الهيدروجين هو أنظف الوقود على الإطلاق، حيث أن المنتج الثانوي لاحتراقه هو الماء. ومع ذلك، فإن معظم الطرق الموجودة اليوم لإنتاج الهيدروجين تنطوي على استخدام الوقود الأحفوري (النفط والفحم).

مجموعة من العلماء من فرنسا وإسبانيا والسويد وإنجلترا والبرتغال وإسرائيل، تضم البروفيسور دان توفيق من قسم الكيمياء البيولوجية في معهد وايزمان للعلوم (لمزيد من أعمال البروفيسور توفيق، انظر الصفحة 16 من هذا العدد) )، يدرس إمكانية إنشاء بكتيريا تنتج الهيدروجين بشكل نظيف ومفيد اقتصاديًا. بدأوا بفحص بكتيريا تسمى "البكتيريا الزرقاء" (والتي كانت تسمى أحيانًا في الماضي "الطحالب الخضراء المزرقة"، على الرغم من أنها ليست طحالب). تتمتع هذه المخلوقات الضوئية أحادية الخلية بتاريخ طويل في إنتاج المواد الأساسية للإنسان. لقد كانوا من بين المخلوقات الأولى التي أطلقت الأكسجين في الغلاف الجوي للأرض (مما مهد الطريق لتطور الحيوانات التي تتنفس الأكسجين)، وبعضهم يحتفظ بالنيتروجين في التربة حتى تتمكن النباتات مثل الأرز من الاستفادة منه.

ويعتزم الباحثون استخدام نهج رائد لتطوير البكتيريا الجديدة. فبدلاً من تغيير نشاط جين أو اثنين لتحقيق أقصى قدر من الأداء، يريدون هندسة مجموعة جديدة كاملة من المكونات البيولوجية التي سيتم تصميمها خصيصًا لتناسب الوظائف المطلوبة. ومن الأساليب التي سيستخدمها العلماء لتحقيق هذا الهدف هي طريقة التطور السريع للإنزيمات في المختبر، والتي طورها البروفيسور توفيق.

خمس حقائق عن أزمة الطاقة

• وقد تزايد الطلب على الطاقة في السنوات الأخيرة، ويرجع ذلك أساساً إلى ارتفاع مستوى المعيشة في العالم الثالث، وخاصة في الصين والهند.
• وتتوقع منظمة الطاقة العالمية أنه إذا استمرت أنماط الطلب هذه، فإن الطلب على الطاقة سيرتفع بنحو 60% بحلول عام 2030.
• منابع النفط تنفد، وثمن التبعية السياسية للدول النفطية يعرض السلام العالمي وأمن إسرائيل للخطر.
• إن الارتفاع المستمر في أسعار النفط يهدد استقرار الاقتصاد العالمي.
• ويتسبب حرق الوقود الأحفوري في تلوث الهواء وزيادة معدلات انبعاث الغازات الدفيئة المتراكمة في الغلاف الجوي، مما قد يؤدي إلى تفاقم ظاهرة الاحتباس الحراري.