הלכתם פעם ברחוב בקיץ וחשבתם לעצמכם, "מה לעזאזל אפשר לעשות עם הלחות הזאת?" ייתכן שבעוד שנים ספורות יהיה אפשר לייצר חשמל בצורה נקייה בעזרתה. צוות חוקרים ישראלי בנה סוללה הנטענת מהלחות באוויר. הצוות חשף סוללה העשויה מאבץ ופלדה לאוויר עם לחות מעל 60%, והצליח לייצר מתח של 1 וולט בין הדקי הסוללה.

האגדה מספרת כי בשנת 1752 העיף בנג'מין פרנקלין עפיפון בעיצומה של סופה. ברק אשר פגע בעפיפון כמעט חישמל אותו למוות. (היום היה פרנקלין זוכה כנראה בפרס דרווין [1].) הסיפור האמיתי שונה מעט. פרנקלין הטיס את העפיפון לתוך ענן סערה והראה כי הוא צובר מטען חשמלי, וכך הוכיח כי ברק הוא תוצאה של פריקה חשמלית [2]. אף שניסוי זה התרחש לפני כמעט 270 שנים, תופעת היווצרות הברקים עדיין נחקרת. עם זאת, אנו כבר יודעים שהמנגנון העיקרי ליצירת החשמל בעננים הוא חיכוך בין מולקולות מים במצבי צבירה שונים.

מים הם ניטרליים מבחינה חשמלית (אולי שמתם לב לכך כאשר לא התחשמלתם בעת ששטפתם ידיים) – אז איך ייתכן שעננים, שכידוע עשויים מים, צוברים מטען חשמלי? ייצור חשמל ממים בלבד מתאפשר בזכות המבנה הייחודי של מולקולת המים, היכולה להתפרק לשני יונים: יון טעון חיובית (H+) ויון טעון שלילית (OH-). בגובה רב, המים משנים את מצב הצבירה שלהם באופן תדיר ומולקולות המים מתנגשות זו בזו ללא הרף, וכך מאלצות את המים להיפרד ליונים חיוביים ושליליים. הפעילות הזאת גורמת, בדרך כלל, להצטברות מטען חשמלי חיובי בחלקו העליון של הענן ושלילי בחלקו התחתון, אשר משתחרר כאשר ברק פוגע באדמה ומעביר את המטען שהצטבר לקרקע. [3]

יצירת חשמל בעזרת אדי מים אינה מתרחשת רק בעננים אלא גם בגובה שלנו, בני האנוש. ב-1840 פרסם הפיזיקאי המפורסם מייקל פאראדיי, שפועלים בלונדון אשר עבדו עם דוד חימום המייצר אדים רבים התחשמלו כאשר נגעו בחלקי מתכת המחוברים לדוּד. לורד ויליאם ארמסטרונג הראה כי התופעה נגרמת עקב חיכוך הנוצר בין אדי המים, שנפלטו במהירות גבוהה מהשסתום של הדוד, לבין טיפות המים על מעטפת המתכת החיצונית של הדוד [4]. כשלא היו מים מעובים במערכת, הקיטור לא ייצר מטען חשמלי על הדוד, אך כשהיו עליו טיפות, המתכת צברה מטען מחיכוך אדי המים, וכך הייתה עלולה לחשמל את העובדים.

חלקכם אולי הרימו גבה לנוכח הפסקה הקודמת, שהרי בפוסט שכתבנו לפני כמה שנים הראנו שלחות גבוהה מצליחה לפרוק חשמל סטטי שאנחנו צוברים בדרכים שונות (ראו פוסט בנושא), בעוד שביובש קיצוני, כמו שקורה בארץ בחורף, במדבר או בחדרים ממוזגים, המטען אינו נפרק ואנחנו נוטים "להתחשמל" יותר. אז אל דאגה, מתברר כי צבירת מטען על ידי חיכוך עם אוויר לח תלויה בסוג החומר שאיתו הוא בא במגע. ולמזלנו אנחנו עדיין לא עשויים ממתכת.

בשנת 2010 הראתה קבוצת חוקרים מברזיל כי התופעה של צבירת המטען החשמלי מתרחשת גם באופן ספונטני, במתכות הנחשפות לאוויר עומד אשר שיעור הלחות בו גבוה מ-50% [5]. התופעה כנראה מתרחשת משתי סיבות עיקריות: הראשונה היא שעל מתכות בטמפרטורת הסביבה נוצרות שכבות מיקרוסקופיות של מולקולות מים, גם באוויר עם פחות מ-100% לחות. בנוסף, גם באוויר עומד (כלומר ללא רוח), מולקולות המים זזות מעט, וכך מתחככות במים אשר התעבו על המתכת ויכולות לייצר מטען. החוקרים הבחינו כי סוג המטען אשר הצטבר במתכות אלו היה תלוי בסוג המתכת: אלומיניום ופליז-כרום צברו מטען שלילי, בעוד פלדת אל-חלד וניקל-כרום צברו מטען חיובי. למעשה, מתכות שונות צברו מטען בהתאם לתכונות הכימיות שלהן, באופן דומה לצבירת מטען בסוללות כימיות. על בסיס ידע זה יצר צוות המחקר מערכת המורכבת משתי מתכות שונות וחומר לא מוליך ביניהן (באופן דומה לקבּל חשמלי) וחשף אותה, בתנאי מעבדה, ללחות גבוהה. כך הצליחו לייצר בפעם הראשונה מתח חשמלי בין שתי המתכות, שנוצר רק מהלחות באוויר.

בהתבסס על מחקר זה, קבוצת מחקר ישראלית מאוניברסיטת תל אביב, בהובלת פרופ' קולין פרייס ובהשתתפות פרופ' הדס סערוני וג'ודי לקס, הצליחה לקחת את הרעיון צעד אחד קדימה. כפי שפורסם במגזין Scientific Reports מבית נייצ'ר [6], החוקרים גילו ששתי המתכות המתאימות ביותר למערכת כזאת הן אבץ ופלדת אל-חלד, אשר שילובן בתנאי מעבדה נותן את המתח הגבוה ביותר – עד 1 וולט. לאחר מכן בנו החוקרים מערכת דמוית סוללה והעמידו אותה באוויר הפתוח על גג בניין בתל אביב, וכך הראו שתוצאות דומות מושגות גם מחוץ למעבדה, באוויר עם לחות הגבוהה מ-60%. לשם השוואה, סוללות ביתיות רגילות מסוג AA עובדות במתח של 1.5 וולט. עם זאת, ההספק החשמלי הצבור בסוללה ביתית גבוה בהרבה מההספק שהמערכת הניסיונית יכולה לספק באותו הגודל - כך שעדיין אין מה לרוץ ולקנות סוללות לחות חדשות לטרקטור של הילד.

ועכשיו צריך לשאול: מה אפשר לעשות עם זה? זה משתלם כלכלית?

אולי בעתיד יוכלו סוללות כאלו לשמש במקומות או במתקנים שאינם מחוברים לרשת החשמל, בתנאי ששיעור הלחות בהם גבוה – כמו למשל באזורים טרופיים או ליד הים. כך ניתן יהיה להפיק חשמל דווקא בשעות הערב והלילה, שבהן הלחות עולה ולא ניתן להפיק חשמל מהשמש. כיוון שהמערכת עדיין בשלבי פיתוח, השיטה כמובן איננה שימושית או משתלמת כלכלית בגלל ההספקים הנמוכים שנוצרים יחסית לגודלה, אך עם מחקר נוסף ופיתוח חומרים סינתטיים זולים ותהליכי ייצור מתקדמים ניתן יהיה להקטין את הסוללה ולהגיע למחירים תחרותיים.

עד אז, חישבו כמה זה מגניב לייצר חשמל מהלחות שבאוויר!

הערות שוליים:

[1] פרס דרווין

[2] Wolf, Abraham (1939). History of Science, Technology, and Philosophy in the Eighteenth Century. New York: Macmillan. p. 232.

[3] מאמר ישן המסביר את מנגנון יצירת הברקים

[4] המאמר של ארמסטרונג מ-1840

[5] המחקר הברזילאי שמראה תופעה של הצטברות ספונטנית של מטען על מתכות שונות

[6] On the Spontaneous Build-Up of Voltage between Dissimilar Metals Under High Relative Humidity Conditions