המכונית ירוקה, הסוללה שחורה

ממחשבים ניידים, דרך הטלפון שלנו ועד קוצבי לב - סוללות מקיפות אותנו בכל רגע וכמעט בכל מקום. הסוללות מאפשרות לנו ליהנות מהעולם החשמלי המודרני בלי להיות מחוברים לשקע חשמלי כמו לחבל הטבור. השימוש בסוללות צפוי לעלות באופן משמעותי לאור התחזיות שלפיהן נוכחותם של רכבים חשמליים על הכביש תהפוך למשמעותית הרבה יותר בעשור הקרוב.

עם זאת, השימוש בסוללות מהסוגים שקיימים כיום כרוך בהשלכות סביבתיות (ומוסריות) קשות. במחקר אמריקאי חדש הצליחו חוקרים לייצר סוללה שמורכבת מפוליפפטידים - שרשראות של חומצות אמינו, החומרים הטבעיים והנפוצים שמרכיבים גם את החלבונים שבגופנו - שאותה אפשר לייצר ולמחזר בלי לגרום לנזק סביבתי.

אבל לפני הסוללות האורגניות, נתחיל מהבסיס. סוללות כוללות שני קטבים בעלי מטען חשמלי מנוגד: אחד חיובי והאחר שלילי. כאשר מעגל חשמלי שכולל את הסוללה נסגר, אלקטרונים (חלקיקים בעלי מטען שלילי) נעים מהצד השלילי אל החיובי, והזרם החשמלי שהתנועה הזו יוצרת מאפשר לנו לשחק קנדי קראש בזמן נסיעה באוטובוס. כאשר הסוללה נטענת, חוזר ועולה הניגוד בין המטענים של שני הקטבים.

מלכת הסוללות כיום היא סוללת ליתיום-יון, שהיא קטנה וזולה יחסית, מייצרת אנרגיה רבה ושאפשר לפרוק ולטעון מספר רב של פעמים בלי שהיעילות שלה תיפגע בצורה משמעותית. סוללה זו נכנסה לשימוש מסחרי בתחילת שנות ה-90 על ידי חברת סוני, הפכה לסטנדרט בטלפונים ניידים ואף זיכתה את מפתחיה בפרס נובל לכימיה, ולאחרונה אומצה גם על ידי תעשיית הרכבים החשמליים.

על אף יתרונותיהן של סוללות הליתיום-יון, לאחרונה מתגברים הקולות שמפנים זרקור להיבטים הבעייתיים שבהן. ראשית, מלבד הליתיום, שהוא מתכת נפוצה יחסית, ייצור סוללת ליתיום-יון דורש גם כמות קטנה של קובלט וניקל - מתכות נדירות ויקרות יותר. מלאי המתכות הללו בעולם מצומצם ומוגבל, והדרך שבה הן מופקות כיום היא בעייתית מאוד מבחינה מוסרית: בקונגו, ספקית הקובלט הגדולה ביותר בעולם, עשרות אלפי ילדים עובדים בתנאים קשים שכוללים ירידה למכרות כרייה ידנית עמוקים שנמצאים בסכנת קריסה מתמדת, ללא אמצעי בטיחות. פעמים רבות עבודתם מובילה לפציעה או אף למוות. בנוסף, המתכות גורמות לזיהום סביבתי, והחשיפה אליהן פוגעת בתושבים שחיים בקרבתם ומובילה לעלייה ניכרת בשכיחות בעיות נשימה ופגמים מולדים בקהילות אלו.

בנוסף, כיום קשה מאד למחזר סוללות ליתיום-יון. על אף חקיקה קיימת בסין, שהחלה ב-2018 לחייב יצרני סוללות לרכבים חשמליים להקים ערוצי איסוף ומיחזור של סוללות ישנות, וחקיקה דומה שמתוכננת באיחוד האירופי, ההערכה היא שכיום רק 5 אחוזים מהסוללות ממוחזרות. תהליך המיחזור הוא איטי, יקר ומייצר חומרי פסולת מזהמים שבהם יש לטפל, כך שהיצרניות מעדיפות לרוב לוותר על המאמץ - ולייצר סוללות חדשות.

הסוללה החדשה, שהפרטים על פיתוחה התפרסמו לאחרונה בכתב העת המדעי היוקרתי Nature, נועדה להוות פתרון לבעיות אלו. החידוש המשמעותי בסוללה זו הוא העובדה שהיא לא עושה כלל שימוש במתכות, אלא בפוליפפטידים: מולקולות שמורכבות ממספר חומצות אמינו - שהן אבני הבניין של החלבונים שנמצאים בגוף האדם ובכל מערכת ביולוגית אחרת. "בטבע יש 20 חומצות אמינו, ושרשראות ארוכות שלהן מרכיבות חלבונים - שתכונותיהם נקבעות על פי רצף חומצות האמינו ועל פי הדרך שבה השרשראות מתקפלות", מסבירה פרופ' נורית אשכנזי, חברת סגל במחלקה להנדסת חומרים באוניברסיטת בן-גוריון.

"הפוליפפטיד שבו עושים שימוש בסוללה שמוצגת במאמר הוא למעשה שרשרת ארוכה של חומצת אמינו מסוג אחד בלבד, שנקראת חומצה גלוטמית. החוקרים השתמשו בפוליפפטיד כדי לעצב את המבנה היציב של הסוללה, וחיברו אליה בקשרים כימיים מולקולות אורגניות, שמספקות את התכונות החשמליות". המולקולות הללו מייצרות קוטב שלילי בצד אחד וקוטב חיובי בצד השני, ובכך למעשה משלימות את בניית הסוללה.

על פי המחקר, יש לסוללת הפוליפפטיד מספר יתרונות על הסוללות מבוססות המתכות. ראשית, אפשר לפרק את הסוללה החדשה בקלות למרכיביה בתום השימוש באמצעות סביבה חומצית, והחוקרים מציעים תהליך שיאפשר בנייה מחודשת של סוללה חדשה מהחלקים שפורקו. שנית, אפשר לייצר את מרכיבי הסוללה במעבדה, ללא שימוש במשאבים שיוצרים נזק סביבתי משמעותי. עם זאת, לסוללה החדשה יש גם חיסרון משמעותי: הביצועים שלה נמוכים משמעותית מאלו של סוללות ליתיום-יון באותו הגודל מבחינת האנרגיה שהיא מסוגלת לספק.

ובכן, האם צפויה הכרזה של טסלה בדבר החלפת סוללות הליתיום-יון המזיקות והקשות למיחזור בסוללות פוליפפטידים ירוקות וקלות לפירוק? כנראה שלא בקרוב, שכן מדובר רק בסנונית מחקרית ראשונית. ואם נסתמך על מאמר שפורסם ב-2020 על ידי צוות חוקרי סוללות ישראלים-גרמנים, ביניהם פרופ' יאיר עין-אלי, דיקן הפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון, קרוב לוודאי שסוללות הליתיום-יון איתנו כדי להישאר. "קשה להתחרות בסוללות ליתיום-יון מבחינת האנרגיה הגבוהה שהיא מספקת ומספר מחזורי השימוש שלה", אומר עין-אלי. "התובנה שלנו היא שכנראה שאלו הסוללות שישמשו את ענף הרכבים החשמליים גם בדורות הבאים".

יחד עם זאת, הפיתוח החדש מוכיח את ההיתכנות של ייצור סוללות שמתבססות על עקרונות דומים בעתיד. מעבר לכך, ייתכן שאפשר יהיה להשתמש בסוללות ללא מתכות, כמו סוללת הפוליפפטידים, גם בתעשיות אחרות. "סוללה מחומר טבעי תוכל לשמש בעתיד להנעת רכיב שייכנס לגוף האדם, יאתר בעיה, ירפא אותה - ויתכלה וייעלם ללא השפעות שליליות לאחר שיסיים את עבודתו", אומרת אשכנזי.
בנוסף לסוללות הפוליפפטידים, מפותחות כיום מספר סוללות אחרות שעושות שימוש בחומרים זולים וידידותיים יותר לסביבה, כמו סיליקון ואבץ, בין השאר על ידי פרופסור עין-אלי. "אני חוזה שב-2040 נראה סל מגוון של סוללות שעונות על צרכים שונים: תכולת אנרגיה גבוהה, מחיר נמוך, יכולת מיחזור והתחשבות בצרכים סביבתיים", מסכם עין-אלי.

הכתבה הוכנה על ידי זווית - סוכנות הידיעות של האגודה הישראלית לאקולוגיה ולמדעי הסביבה