גז טבעי הוא דלק אטרקטיבי לרכבים בתור חלופה לבנזין. לארצות הברית יש אספקה עשירה של גז טבעי, שרובו כלוא עמוק מתחת למבנים סלעיים באדמה. לאחרונה התבצע שימוש מוגבר בטכניקות הקדיחה האופקית והסדיקה ההידראולית, המשמשות בהתאמה להגעה למאגרי הגז הטבעי התת-קרקעיים וחילוצם מבין הסלעים באמצעות הזרמת נוזל או גז בלחץ גבוה. שימוש זה אִפשר להפיק כמויות גדולות של גז טבעי שלא היו נגישות לנו לפני כן. האספקה הרבָּה, אשר צפויה להחזיק זמן רב, הופכת את הגז הטבעי לחלופה זולה לבנזין. ישנם דיונים רבים על ההשפעה הסביבתית של הסדיקה ההידראולית, אולם מצד אחר ייתכן שגז טבעי יהווה דלק פחות מזיק לסביבה מאשר בנזין. לדוגמה, שריפת גז טבעי משחררת 25% פחות פחמן דו-חמצני מאשר שריפת בנזין. פחמן דו-חמצני הוא גז החממה העיקרי שאחראי על ההתחממות הגלובלית. גז טבעי עשוי רובו ממתאן, שהוא עצמו גז חממה חזק. אם כן, כדי לנצל את היתרונות הסביבתיים של גז טבעי עלינו להימנע מפליטות נוספות של מתאן כתוצאה מעלייה בייצור של גז טבעי, ומהשימוש הגובר בו כדלק להנעת רכבים.

אם לגז טבעי יש יתרונות כלכליים וייתכן שגם סביבתיים על פני בנזין, מדוע מרבית המכוניות עדיין נוסעות על בנזין? הבעיה היא שגז טבעי סובל מצפיפות אנרגיה נמוכה. צפיפות האנרגיה היא מדד חשוב מאחר שהיא אומרת לנו כמה אנרגיה אנו יכולים להפיק מנפח מסוים של דלק. ככל שיש לנו יותר אנרגיה במכל הדלק, כך יגדל המרחק שנוכל לנסוע לפני שנצטרך לתדלק. בואו נשווה את צפיפויות האנרגיה של הגז הטבעי ושל בנזין בטמפרטורת החדר ובתנאים של לחץ אטמוספרי סטנדרטי. צפיפות האנרגיה של בנזין גדולה פי 950 מצפיפות האנרגיה של גז טבעי. הסיבה לכך היא שבגז המולקולות רחוקות אחת מהשנייה הרבה יותר מאשר בנוזל, מה שמוביל לכמות קטנה יותר של מולקולות בכל יחידת נפח. משמעות הדבר בפועל מוצגת באיור 1; כדי לנסוע את אותו המרחק עם גז טבעי, עלינו לקחת עמנו נפח גדול פי 950 של גז טבעי מאשר הנפח שהיינו צריכים אם היינו משתמשים בבנזין. מכל בנזין טיפוסי יכול להכיל 50 ליטר; דמיינו כיצד הייתה נראית מכונית עם מכל דלק גדול פי 950!

לכן, כדי להשתמש בגז טבעי כדלק לכלי רכב בלי שנצטרך מכלי דלק גדולים במידה בלתי סבירה, עלינו להכניס מולקולות מתאן נוספות לתוך המכל. כיום משתמשים בשתי אסטרטגיות להגדלת צפיפות האנרגיה של מכל דלק מלא בגז טבעי. הראשונה היא דחיסת הגז הטבעי; בתנאים של לחץ גבוה יותר, ישנן יותר מולקולות גז באותה כמות נפח. השנייה היא קירור הגז הטבעי לטמפרטורה כל כך נמוכה עד שהוא הופך לנוזל, תהליך שנקרא עיבוי. מאחר שמולקולות בנוזל הרבה יותר קרובות אחת לשנייה מאשר בגז, צפיפות האנרגיה גדלה לאחר שהגז הופך לנוזל.

הגדלת הצפיפות של גז טבעי

לשם קבלת גז טבעי נוזלי הגז הטבעי מקורר לטמפרטורה נמוכה מאוד, בסביבות −162°C, כך שהוא מתעבה לנוזל דחוס בהרבה. לגז טבעי נוזלי ישנן כמה בעיות שמוֹנעוֹת ממנו להיות בשימוש עבור רכבי תחבורה לנוסעים. התהליך הדרוש לעיבוי גז טבעי מצריך אנרגיה רבה ונדרשים מכלים גדולים, יקרים ומותאמים במיוחד כדי לאחסן גז טבעי נוזלי בטמפרטורות נמוכות שכאלה. לרוע המזל, הבידוד התרמי (כלומר המידה שבה המכל מבוֹדד את תוכנו מהסביבה החיצונית ושומר על הטמפרטורה) של המכלים האלה אינו מושלם. לכן, כדי להשאיר את הגז הטבעי הנוזלי קר נדרש מפעם לפעם אוורור החוצה של גז טבעי נוזלי שהתחמם והתאדה חזרה למצב של גז טבעי. האוורור הזה לא רק משאיר את הגז הטבעי הנוזלי קר אלא גם מבזבז דלק, וחשוב מכך משחרר מתאן לאטמוספירה ובכך מעודד את ההתחממות הגלובלית.

לשם קבלת גז טבעי דחוס דוחסים את הגז הטבעי בטמפרטורת החדר עד לפי 200 בקירוב מלחץ אטמוספרי. הבעיה עם גז טבעי דחוס היא שציוד הדחיסה הדרוש להשגת לחץ כל כך גדול הוא יקר. יתרה מזו, מכלי הדלק של רכבים אשר משתמשים בגז טבעי דחוס חייבים להיות בעלי קירות עבים וצורה כדורית או גלילית כדי להכיל את הלחץ הגבוה הזה. עובדה זו גורמת למכלים להיות כבדים ויקרים, ואפשר למקם אותם רק בתא המטען של כלי הרכב, מה שלא משאיר מספיק מקום ברכב לאחסון של כבוּדה. מנגד, המכל שמשמש עבור בנזין יכול להיות בכל צורה שהיא, לכן הוא מעוצב וממוקם בצורה יעילה יותר בתוך הרכב. באיור 2 אנו משווים את צפיפויות האנרגיה של גז טבעי נוזלי ושל גז טבעי דחוס לצפיפות האנרגיה של בנזין. אפשר לראות בתמונה גם את צפיפות האנרגיה של בלון מלא בגז טבעי בטמפרטורת החדר ובלחץ אטמוספרי, מה שמדגים שגז טבעי נוזלי וגז טבעי דחוס הם בעלי צפיפויות אנרגיה גבוהות הרבה יותר מאשר בלון של גז טבעי. בעוד שהצפיפות של גז טבעי דחוס ושל גז טבעי נוזלי אינה גבוהה כמו של בנזין, היא בכל זאת גבוהה מספיק כדי שנוכל לנסוע מרחקים ארוכים יחסית עם מכל דלק שמכיל גז טבעי דחוס או גז טבעי נוזלי.

בשל הקשיים הכרוכים בהפקה של גז טבעי נוזלי ושל גז טבעי דחוס, ובנשיאתם, חוקרים מחפשים אסטרטגיות חלוּפיוֹת להגדלת צפיפות האנרגיה של מכל דלק מלא בגז טבעי. רעיון אחד, שהוא גם מוקד המאמר הזה, הוא ליצור חומר שמתנהג כמו ספוג עבור מתאן. אנו רוצים לשים את החומר הזה בתוך מכל הדלק ולקוות שהוא ימשוך אליו כל כך הרבה מולקולות מתאן עד שנוכל להגיע לצפיפות אנרגיה גבוהה כמו זו של גז טבעי דחוס, אולם תוך שימוש בלחץ נמוך יותר. מאחר שלחץ האחסון של מתאן בתוך חומרים דמויי-ספוג יכול להיות נמוך יותר מהלחץ שנדרש כדי לאחסן גז טבעי דחוס, מכלי הדלק יכולים להיות דקים וזולים יותר, ובכל צורה שמתאימה למיקומם בתוך הרכב. נוסף על כך המדחסים שנדרשים עבור הגעה ללחץ הנמוך הדרוש לאחסון מתאן בחומרים דמויי-הספוג הם זולים יותר מאשר אלה הדרושים עבור גז טבעי דחוס, כך שייתכן שנוכל למלא מחדש את מכלי הדלק שלנו בבית, תוך שימוש באותו הגז שאנו משתמשים בו ממילא לבישול ולחימום הבית.

החומרים שמהווים את הספוגים המבטיחים ביותר נקראים חומרים ננו-נקבוביים. באיור 3 אפשר לראות דוגמה של חומר כזה. חומר ננו-נקבובי הוא מבנה עם חורים או תאים בעלי קוטר אופייני של ננומטר אחד (ננומטר הוא 10⁻⁹ מטר, כלומר אלפית של מיליונית המטר). עובי שערה של בן אדם הוא בערך 80,000 ננומטר; נקבובית בגודל ננומטרי היא כל כך הרבה יותר קטנה עד שרק מולקולות יכולות להיכנס לתוכה. למולקולת מתאן יש קוטר של 0.3 ננומטר כך שהיא יכולה להיכנס בנוחות אל תוך הנקבוביות. מולקולת המתאן נמשכת לקירות של החומר הנקבובי. כתוצאה מכך, מולקולות מתאן נדבקות למשטח הפנימי של החומר הנקבובי המוצק. תהליך כזה, שבּו מולקולות נדבקות למשטח הפנימי של חומר אחר, נקרא ספיחה. כדי לקבל מושג על כמות מולקולות המתאן שחומר ננו-נקבובי יכול לספוח, דמיינו שיכולנו לפתוח את המשטח שיוצרים קירות הנקבוביות ולשטֵּחַ אותו: גרם אחד של החומרים הננו-נקבוביים האלה היה תופס שטח של מגרש כדורגל שלם!

”הסוכנות לפרויקטי מחקר מתקדמים באנרגיה“ (Advanced Research Projects Agency – Energy, ובקיצור ARPA-E), התחילה תוכנית של מיליוני דולרים שמטרתה למצוא חומר המתאים לאחסון גז טבעי ברכבים. כחלק מתוכנית זו קבעה ARPA-E כי צפיפות האנרגיה שהחומר הננו-נקבובי צריך להשיג היא MJ/L 12.5 (ראו את הקו האדום המקווקו באיור 2). צפיפות אנרגיה זו גדולה פי 340 מהצפיפות של גז טבעי בטמפרטורת החדר ובלחץ אטמוספרי. חומר בעל התכונות האלה יוכל לאפשר לנו להשתמש במכלי אחסון קלים ודקים יותר ובציוד דחיסה זול יותר. חוקרים בכל רחבי העולם מנסים לגלות את החומר החדש שיענה על מטרת האחסון ש-ARPA-E הציבה.

מציאת החומרים הננו-נקבוביים המוצלחים ביותר

היבט מלהיב של חומרים ננו-נקבוביים מתקדמים הוא שכימאים יכולים לעצב אותם ברמה המולקולרית ועל כן לכוונן את הנקבוביות שלהם באופן שישפר את ביצועיהן. כימאים מסוגלים לסנתז מיליוני חומרים שונים באמצעות ערבוב של אבני בניין מולקולריות שונות (ראו איור 4).

במעבדה לוקח כמה שבועות לסנתז חומר חדש ולבדוק אותו. סנתוז ובדיקה של מיליוני חומרים שונים במעבדה, לצורך בחינת החומר המתאים ביותר לספיחת גז טבעי, היו לוקחים זמן רב מדי. לכן, אנו נדרשים לחשוב על כמה שאלות מחקריות חשובות: מתוך מיליוני האפשרויות הקיימות, כיצד חוקרים יכולים לדעת אלה שילובים של אבני בניין מולקולריות יניבו חומר שיענה על מטרת אחסון האנרגיה של ARPA-E? כיצד אנו בכלל יכולים לדעת שמטרת אחסון האנרגיה היא ישׂימה? ודאי ישנן מגבלות לכמות הגז הטבעי שחומר כלשהו יכול לאחסן.

יצירה של חומרים במחשב ובדיקתם

חוקרים עובדים בשנים האחרונות גם על שיטה לייצור מודלים (מִדּוּל) של חומרים על גבי מחשב. על-ידי חיבור של אבני בניין העשויות ממולקולות שונות, ממש כמו יחידות של לגו, חוקרים יכולים למדֵּל את החומרים האלה במחשב. מאחר שמידול של חומרים במחשב מהיר הרבה יותר מהכנת חומרים אמיתיים במעבדה, אפשר בזמן קצר יחסית ליצור מודלים של חומרים רבים.

לאחר שיצרנו ”חומר“ על המחשב אנו יכולים להריץ הדמיות (סימולציות) ממוחשבות של ספיחת מתאן לתוך נקבוביות החומר. הדמיה ממוחשבת זו דומה למַדְמֶה (סימולטור) טיסה, רק עבור מולקולות; האלגוריתם (כלומר, אוסף הפעולות שמוגדר בתוכנה) מכניס, מוחק ומזיז את מולקולות המתאן בתוך נקבוביות החומר כדי לבחון את התצוּרוֹת (קונפיגורציות) המועדפות ביותר. באמצעות הדמיות מולקולריות ועל בסיס המבנים שאנו יוצרים במחשב, אנו יכולים לחזות כמה מולקולות מתאן חומר מסוים יוכל לספוח.

חוקרים בנו עד כה במחשב יותר מ-650,000 חומרים ננו-נקבוביים שונים. הם עשו זאת באמצעות בחירת אבני בניין מולקולריות שונות ושילובן בהתאם לחוקים שמבוססים על ידע מעבדתי, ביחס לאופן שבו צריך לסנתז את החומרים האלה. באמצעות שימוש בקוד הדמיה מולקולרי ממוחשב שכתבנו [4] יצרנו הדמיה של ספיחת מתאן, ובעזרתה חזינו איזו כמות של מתאן כל אחד מ-650,000 החומרים הננו-נקבוביים האלה יכול לספוח.

מתוך מאגר הנתונים שלנו, של יותר מ-650,000 חומרים, המבנה שחזינו שישיג את צפיפות האנרגיה הגבוהה ביותר של מתאן מוצג באיור 5. ההדמיות שלנו חזו שהחומר המובחר הזה יכול להגיע לצפיפות אנרגיית מתאן של MJ/L 7.8. אנו מקווים שהתחזית הזו תעודד את הסנתוז והבדיקה של המבנה יציר המחשב הזה [4]. עדיין, מבנה זה משיג רק 62% ממטרת האחסון של ARPA-E שעומדת כאמור על MJ/L 12.5. מאחר שהחומר הטוב ביותר במאגר הנתונים שלנו עדיין די רחוק מעמידה במטרה של ARPA-E, עושה רושם שהסבירוּת שנגיע אל מטרת האחסון של ARPA-E היא נמוכה.

ערך השיא של צפיפות האנרגיה של מתאן שהושג עד כה במעבדות עומד על 7.4 MJ/L [6], והוא שייך לחומרים Cu-BTC (איור 3) ו-IRMOF-1 (איור 4). בהשוואה לחומר המובחר במאגר הנתונים שלנו, שמשיג כאמור צפיפות אנרגיה של MJ/L 7.8, הממצאים שלנו מחזקים את הסברה שאין עוד מקום רב לשיפור החומרים הקיימים ביחס לספיחת מתאן.

מסקנות

עבודתנו מדגימה כיצד אנו יכולים לבנות מודלים ממוחשבים של חומרים ולהשתמש בהדמיות ממוחשבות של ספיחת מתאן אל תוך הנקבוביות כדי לזהוֹת בצורה מהירה וזולה את החומרים הננו-נקבוביים המבטיחים ביותר לאחסון גז טבעי. על-ידי הערכה ממוחשבת של כמות גדולה של חומרים (650,000), שאיננה מעשית במעבדה, אנו מסוגלים להגיע במהירות למסקנה שמטרת האחסון של ARPA-E כנראה לא תהיה ברת מימוש.

האם אנו יכולים להסיק כעת שאין זה אפשרי למצוא חומר שעומד במטרה של ARPA-E? ראשית, חשוב להבין שאנו יכולים ליצור מודלים ממוחשבים רק של חומרים שאנו מבינים כיום מניסויי מעבדה. אולם בעתיד כימאים יוכלו להמציא קבוצות חדשות לגמרי של חומרים אשר ייתכן שיהיו מסוגלים להשיג את מטרת האחסון.

אף על פי שלא מצאנו חומר ננו-נקבובי שעומד בדרישת אחסון המתאן של ARPA-E, אין זה בזבוז של זמן לחקור את אחסון הגז הטבעי באמצעות חומרים ננו-נקבוביים. להיפך, התוצאות מציעות שעָלינו לשקול את השימוש בחומרים הננו-נקבוביים המוצלחים ביותר שמֻכָּרים כיום. חומר שיכול להשיג צפיפות אנרגיה של MJ/L 8 מהווה שיפור גדול ביחס לשימוש במכל ללא החומר הנקבובי ובאותו הלחץ, אשר צפיפות האנרגיה שלו עומדת על MJ/L 2.5 בלבד. אם כן, מילוי מכל הדלק בחומרים ננו-נקבוביים מאפשר לנו לאחסן כמות גדולה פי שלושה של גז טבעי מאשר שהיינו מקבלים בלעדיהם. במקרה כזה נדרש אמנם מכל דלק קצת יותר גדול כדי לנסוע את אותו המרחק כמו עם גז טבעי דחוס, אולם ייתכן שזה טוב מספיק עבור צרכינו.

מאמר המקור

מאמר זה הוא גרסת Young Minds של מאמר פרספקטיבה שפרסמנו בעיתון ”מדעי אנרגיה וסביבה“ (Energy and Environmental Science) [6]. את הנתונים והסימולציות שלנו אפשר למצוא בקישור הזה: https://materialsproject.org/#search/porous

הצהרת ניגוד אינטרסים:

המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.

מילון מונחים

צפיפות אנרגיה (Energy density): ↑ כמות האנרגיה שאפשר להפיק משריפת יחידת נפח אחת של דלק. צפיפות האנרגיה קובעת לאיזה מרחק הרכב יכול לנסוע עם מכל דלק שלם. יחידות: אנרגיה (הנמדדת במגה ג’אולים, MJ) ליחידת נפח (הנמדדת בליטרים, L), סך הכול MJ/L.

גז טבעי נוזלי (Liquefied natural gas): ↑ גז טבעי בצורה נוזלית, המוחזק בטמפרטורה של −162°C ובלחץ אטמוספרי.

גז טבעי דחוס (Compressed natural gas): ↑ גז טבעי שדחוס בטמפרטורת החדר פי 250-200 מלחץ אטמוספרי, כך שהוא נשאר בצורתו הגזית.

חומר ננו-נקבובי (Nanoporous material): ↑ חומר בעל נקבוביות קטנות, שגודלן קטן מ-100 ננומטרים.

ספיחה (Adsorption): ↑ התהליך שבו מולקולות נספחות (”נדבקות“) למשטח. במקרה של חומרים ננו-נקבוביים, קירות הנקבוביות הם שיוצרים את המשטח שאליו מולקולות הגז נספחות.

מסגרת מתכתית-אורגנית (Metal-Organic Framework, בקיצור MOF): ↑ מסגרת מתכתית-אורגנית היא סוג של חומר ננו-נקבובי שמכיל צמתים או צבירים מתכתיים המשולבים עם מולקולות אורגניות אשר מכֻנּות מולקולות מְקַשרות. הקשרים בין המתכות לבין המולקולות האורגניות הם שקובעים את מבנה החומר.

הדמיה (סימולציה) ממוחשבת (Computer simulation): ↑ הרצה של תוכנת מחשב שמתוכננת לחקות את ההתנהגות של מערכת מסוימת ולשחזר אותה. במקרה הזה, תוכנת המחשב שלנו מחקה את כניסתן, יציאתן ותנועתן של מולקולות המתאן בנקבוביות החומר הננו-נקבובי.