גשם של אנרגיה

חשמל ומים נחשבים שילוב קטלני. מגיל צעיר מחנכים אותנו לא לגעת בשקעי חשמל בידיים רטובות – וזה כמובן נכון – אבל זו ממש לא כל התמונה. חשמל ומים יכולים גם לעבוד טוב ביחד. כבר שנים רבות פועלות תחנות כוח הידרואלקטריות, שמנצלות את זרמי המים בנהרות ובמפלים כדי להפיק אנרגיה חשמלית. הטורבינות בתחנות הכוח הללו זקוקות לכמויות אדירות של מים שיניעו אותן, וזוהי כמובן מגבלה גדולה, שכן באזורים רבים בעולם משאבי המים מצומצמים מאוד. אז למה לא נלך צעד נוסף הלאה ונשתמש גם במי גשם להפקת אנרגיה בת-קיימא?

ואכן זה בדיוק מה שבדקו  חוקרים מהאוניברסיטה הלאומית של סינגפור, במאמר שפורסם בכתב העת ACS Central Science. הבחירה שלהם להתמקד בניצול האנרגיה האצורה במי הגשם אינה מפתיעה, כמובן: כמדינה טרופית עתירת משקעים, דבר אחד שלא חסר להם כמעט לעולם הוא גשם.

חשמל בצינורות הניקוז

תחנות כוח הידרואלקטריות מבוססות על אנרגיה קינטית (אנרגיית תנועה), כלומר הן משתמשות בתנועת המים כדי להפיק חשמל. אך ההצעה של החוקרים היא אחרת: במחקר שלהם הם מבקשים למצות את האנרגיה החשמלית שמצטברת במילא בין המים לצינורות שמוליכים אותם, ולהשתמש בה באופן ישיר.

כשמים זורמים בצינורות, נוצרת באופן טבעי אנרגיה חשמלית במסגרת יחסי הגומלין בינם לבין הפלסטיק הקשיח של הצינור. כשהחומרים שמומסים במים פוגשים פלסטיק, חלקם נוטים לכיוון הפלסטיק וחלק אחר נמשך דווקא למולקולות המים או לחומרים המומסים במים. בתהליך הזה, שנקרא הפרדת מטענים, נוצרות על דפנות הצינור שתי שכבות של חלקיקים טעונים, שנקראים יונים, חלקם עם מטען חשמלי חיובי וחלקם עם מטען שלילי. חוקי האלקטרוסטטיקה קובעים שבין מטענים מנוגדים ייבנה שדה חשמלי, כך שאם נצליח ללכוד אותו נוכל לרתום את האנרגיה החשמלית לצרכינו.

הבעיה היא שטווח ההשפעה של השדה הזה במים הוא קטן. למעשה, הטווח הזה, שנקרא אורך דביי (Debye), יוצר בצינורות שעוביים עולה אפילו על מיקרונים בודדים (מיליוניות המטר) חסם משמעותי על יעילות ההפקה של אנרגיה חשמלית על בסיס הפרדת מטענים. פשוט לא מעשי לייצר כך הספק חשמלי שימושי.

כדי לעקוף את מגבלת אורך דביי לקחו החוקרים השראה מהטבע. במקום שהמים יזרמו בצינור באופן רציף, הם יצרו זרימה מקוטעת ובלתי רציפה – זרימת פקקים – ממש כפי שקורה כשיורד גשם. במצב הזה, במקום שדופן הצינור תתכסה ביונים שמקורם בחומרים המומסים שבמים, כאן המים עצמם מופרדים ליונים.

כל מולקולת מים מורכבת משני אטומי מימן ומאטום חמצן. הודות למבנה הכימי של צינור הפלסטיק, המורכב מפולימרים – שרשראות ארוכות שמורכבות מאבני בניין קצרות יותר – המים מופרדים על דופן הצינור ליונים שליליים וחיוביים. היונים השליליים כבדים ונוטים להיצמד לדופן, ואילו היונים החיוביים קלים יותר ולכן גם מהירים יותר, נסחפים הלאה בזרם המקרטע. כך קורה שרוב נפח המים נטען במטען חשמלי חיובי. בתוך כך גם חומציות המים עולה, שכן חומציות מבטאת בהגדרתה את ריכוז היונים החיוביים בחומר. הפרדת המטענים הזאת, בין היונים השליליים שנותרים על הדופן והיונים החיוביים שזורמים הלאה, מתרחשת לכל אורך הצינור – כך מצטבר בו הספק חשמלי משמעותי.

בבדיקות ההיתכנות שלהם רתמו החוקרים את האנרגיה החשמלית על ידי חיבור בין שתי נקודות במערכת שמייצגת זרימה של מי גשם. בקצה העליון של הצינור הוצבה מחט מתכתית שדרכה הוזרמו מים לצינור, ובתחתיתו חיכתה כוס שאליה נזלו המים הטעונים חיובית. תיל חשמלי ביניהן העביר זרם חשמלי למכשירים צורכי חשמל.

לטענת החוקרים, לא מדובר הפעם ברעיון תיאורטי בלבד או בהשערה. הם מצאו, לדבריהם, שיעילות הפקת החשמל מטפטוף כזה עומדת על כעשרה אחוזים, הרבה מעבר להספק הממוצע שאפשר להפיק מזרימה רציפה של מים בצינור.  הם השתמשו בחשמל שהופק בשיטה החדשה כדי להדליק נורות לֶד, הצליחו ליצור פריקה חשמלית באוויר ואף להניע תגובות כימיות – הכול באמצעות אנרגיה חשמלית שמקורה בגשם ובפלאי הכבידה.

נראה אפוא כי זרימת פקקים איננה קוריוז. באמצעים פשוטים היא מצליחה לעקוף חסם פיזיקלי משמעותי, להפיק אנרגיה חשמלית ביעילות גבוהה, ורותמת לכך את הטבע עצמו. מדובר באנרגיה מתחדשת במובנה העמוק ביותר: כזו שמקורה בטבע, ושאפשר לסמוך עליה שתמשיך להתקיים.