בכל מקום שבו נהר נשפך לים, המפגש בין המים המתוקים למים המלוחים מייצר אנרגיה טבעית עצומה. כשיוני המלח עוברים דרך מסננים מיוחדים במטרה לאזן את ריכוזי המליחות משני צדי המסנן, תנועתם הטבעית מייצרת זרם חשמלי נקי ונטול פחמן, הזמין סביב השעון - ללא תלות בשמש, ברוח או בתנאי מזג אוויר.
זהו בדיוק הפוטנציאל שהפך את "האנרגיה הכחולה" למושא משיכה עולמי כבר עשרות שנים. אלא שבפועל, כל המכשירים שנבנו ברחבי העולם כדי לנצל את הפוטנציאל הזה הפיקו הרבה פחות חשמל מהמתוכנן - לעיתים פי אלפים פחות מהתחזיות המעבדתיות - והותירו את המפתחים תקועים בתהליכי ניסוי וטעייה איטיים, יקרים וחסרי הסבר מדעי אמיתי. עד היום.
צוות חוקרים מהמחלקה להנדסת מכונות באוניברסיטת בן-גוריון בנגב, בהובלת פרופ' יואב גרין יחד עם אורן לביא וד"ר רמדאן אבו רג'אל, פתר את התעלומה במחקר פורץ דרך, שהתקבל לפרסום בכתב העת היוקרתי PRX Energy. החוקרים מבאר שבע היו הראשונים בעולם לבחון את הפיזיקה של המערכת כולה ולא רק את חלקה: הם גילו שכל החישובים התיאורטיים שליוו את התחום עד כה התמקדו אך ורק במסנן הזעיר עצמו, בתנאי מעבדה אידיאליים, תוך התעלמות מוחלטת ממאגרי המים הגדולים שמשני צדיו - בדיוק שם, מתברר עכשיו, שהתחבא הפער בין התיאוריה למציאות.
ממצאי המחקר שנערך בבאר שבע חושפים שלושה מנגנונים פיזיקליים יסודיים, שהתחום כולו החמיץ במשך עשרות שנים: ראשית, מאגרי המים הסובבים את המסנן מייצרים התנגדות חשמלית אדירה שחונקת למעשה את זרימת החשמל. ההתעלמות ממאגרים אלה הובילה את כל החישובים הקודמים להערכות תפוקה מופרזות בכמה סדרי גודל - הרבה מעבר למה שמכשיר אמיתי יכול לספק.
זרימה של נהר אל האוקיינוס, כשברקע תחנת כוח
(צילום: Joseph614/Shutterstock)
שנית, החוקרים הוכיחו כי קיימת פשרה מפתיעה שאיש לא זיהה קודם: רמת המליחות שמפיקה את הזרם החשמלי החזק ביותר אינה אותה רמה שמניבה את כמות החשמל המרבית. שתי הנקודות האופטימליות הללו נבדלות זו מזו באופן מהותי - מה שאומר שמערכות שתוכננו תוך הנחה שגויה שהן חופפות, פספסו את פוטנציאל ההספק המרבי שלהן.
שלישית, המפתיע מכול הוא שבניגוד לכל ההנחות המקובלות שראו בהתנגדות החשמלית של המסנן גודל קבוע וסטטי, הוכיח צוות המחקר כי בניגוד למוליכים מתכתיים קלאסיים, שהתנגדותם איננה תלויה במתח המופעל, ההתנגדות החשמלית של מערכת אלה כן תלויה במתח. השינוי במתח אף יכול לגרום להגדיל את ההתנגדות פי שתיים מהמצופה, ואף יותר.
פרופ' יואב גריןצילום: דני מכליס, אוניברסיטת בן-גוריון"עד היום, היעדרו של מודל פיזיקלי עצמי-עקבי חייב ניסיינים לכוונן חומרים וצורות של ערוצים בניסוי וטעייה אמפירי, כשהם מייחסים לעיתים קרובות את השיפורים שהשיגו למנגנונים שגויים או חלקיים בלבד", הסביר פרופ' גרין. "אנחנו פיתחנו מודל תיאורטי דטרמיניסטי. במקום לבזבז משאבים יקרים על חיפוש אחר חומרים אקזוטיים ונדירים, מאמצי ההנדסה חייבים להתמקד בהפחתת ההתנגדות הנובעת ממאגרי המים - למשל באמצעות מיקום האלקטרודות קרוב ככל האפשר פיזית למסנן עצמו".
להישג הזה, שנולד במעבדות אוניברסיטת בן-גוריון בלב הנגב, יש פוטנציאל השפעה שחורג בהרבה מעבר לתחום ייצור האנרגיה המתחדשת בלבד. מכיוון שתנועת היונים דרך מסננים ננומטריים סלקטיביים נשענת על אותם חוקי פיזיקה אוניברסליים בכל מערכת, המודל שפיתח צוות בן-גוריון מספק כעת הנחיה יסודית ורחבת-היקף: הוא עשוי לשפר משמעותית את יעילותם של מתקני התפלת מי ים ברחבי העולם, לשכלל חיישני ננו-נקבובים המשמשים לריצוף DNA וחלבונים במחקר הגנטי המתקדם ביותר, ואף לסייע בהבנה מעמיקה יותר של תעלות יונים ביולוגיות בממברנות התא האנושי.
