בשנת 2012 פורסם בדו"ח של הלמ"ס (הלשכה המרכזית לסטטיסטיקה) שההוצאה לצריכה פרטית על בנזין ודלק אחר בישראל עמד על 6.2% מההכנסות, ודו"ח מ-2016 של הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה סיפק נתון מעורר מחשבה: מדינות העולם צורכות מדי יום 96 מיליון חביות נפט, שהם קרוב ל-153 מיליארד ליטרים. אחת הדרכים לחסוך בצריכת כמויות דלק אדירות אלה היא באמצעות יצירת חומרים קלים וחזקים יותר.
הנדסת החומרים כיום כה מפותחת כך שלרשותנו עומדים עשרות אלפי חומרים בעלי מגוון רב של תכונות, המשמשים לבניית מוצרים שונים זה מזה במבנה שלהם ובתכונותיהם. כל מוצר, מצעצוע לילדים ועד למטוס נוסעים, עשוי מחומר לו השפעה על תכונות המוצר.
החלפת החומרים הקיימים לחומרים קלים יותר עומדת במרכזו של המחקר בתעשיית המתכות העכשווית, שכן כלי תחבורה מחומרים קלים יותר יחסכו בדלק, יזהמו פחות את האוויר וייהנו מיכולת תמרון גבוהה יותר. השילוב בין חומרים אלה לבין ננו-טכנולוגיה, יוצר אפשרויות שעד לפני מספר שנים נראו לנו דמיוניות.
אחת הבעיות המרכזיות שבה נתקלים החוקרים היא בקבלת תכונות מכניות ירודות ולכן ישנו עניין רב בחקר שיטות להעלאת חוזק חומרים. מדובר בעיקר בהחלפת חלקים עשויי פלדה לסגסוגות קלות יותר, כגון סגסוגות האלומיניום. אחד מהפתרונות האפשריים הינו החדרת "ננו מבנים" - חומרים שונים וזעירים - לתוך מתכות קלות והפיכתן לבעלות תכונות משופרות. למה סגסוגות אלה יעילות וחסכוניות יותר? על מנת להזיז סלע במשקל עשרות טונות דרושה יותר אנרגיה מאשר להזיז סלע במשקל עשרות קילוגרמים. קל שווה חסכוני. אמנם חומרים אלה לא מייתרים את השימוש בדלק, אבל הם כן יוצרים מרכיבים חדשים קלים יותר שיגרמו לחיסכון בדלק וכתוצאה מכך יפחיתו את זיהום האוויר.
הצינוריות הזעירות שיצרו שינוי ענקי
ד"ר קונסטנטין בורודיאנסקי חוקר ואיש סגל במחלקה להנדסת כימיה וחומרים באוניברסיטת אריאל, משלב במחקרו בין תחום הננו-טכנולוגיה לבין הנדסת החומרים. הוא עובד בשיתוף פעולה עם רקטור אוניברסיטת אריאל פרופסור מיכאל זיניגרד ומוביל את המחקר הזה, שייחודו בכך שהשימוש בטכניקות מתחום הננו-טכנולוגיה יצרו סגסוגת אלומיניום חדשה - חזקה וגמישה יותר.
מדובר בהעלאת חוזקה של סגסוגת אלומיניום באמצעות ננו-צינוריות אי-אורגניות. זו בדיוק אותה צורה של צינורות הקיימים בקירות הבית או בבתי חולים, רק בגודל זעיר מאוד. כלומר, בעזרת ננו-טכנולוגיה ששולבה במחקר שנערך באוניברסיטת אריאל השתנו מרכיבי החומר והחוקרים יצרו סגסוגת חדשה ומשופרת של אלומיניום. "הכנסנו את אותן צינוריות זעירות לאלומיניום ובתהליך של יציקה יצרנו חומר עם תכונות משופרות", מסביר ד"ר בורודיאנסקי, "הכמות של אותן ננו-צינוריות היא מאית אחוז מהמסה של החומר כך שהן לא מורגשות במבנה, בתוצר ובמשקל".
אותן ננו-צינוריות העניקו לחומר יכולות משופרות שלא היו קיימות בו. "השיטה שפיתחנו במחקר שביצענו באוניברסיטת אריאל נולדה כתוצאה משילוב תחום מדע החומרים, ומצאנו דרך שיש היגיון מאחוריה", אומר ד"ר בורודיאנסקי. "ההיגיון הוא שהחלקיקים הקטנים הם בעצמם בעלי תכונות מכניות ופיזיקליות משופרות ביחס, נניח, לאותם חומרים שאינם ננו-מטריים. אנחנו בעצם משפיעים על תהליך יצירת החומר ובעצם יוצרים חומר עם תכונות חדשות".
במהלך המחקר הצליח ד"ר ברודיאנסקי לשפר פי שניים את משיכות סגסוגות האלומיניום, כלומר, יכולת החומר להתארך או להתקצר כאשר מופעל עליו עומס, וזאת ללא פגיעה בחוזקה של המתכת. בחודשים האחרונים, בעקבות התקדמות המחקר, קיבלו החוקרים תוצאות שמראות על שיפור בחוזק ובמשיכות בו זמנית.
התעשיות שעשויות להשתדרג בזכות האלומיניום החדש
"התחלנו לעבוד על המחקר לפני כעשר שנים", מספר ד"ר בורודיאנסקי, "הכנסנו לאלומיניום חומרים קרמיים, לדוגמה סגסוגת של טיטניום ופחמן או סיליקון ופחמן, והם שיפרו את המשיכות ללא פגיעה בחוזק. המשך המחקר בנושא עשוי להביא להחלפת חלקים גדולים בתעשיית הרכב והתעופה ובכך לאפשר שימוש בכמויות דלק קטנות יותר, משום שהחומרים קלים יותר וחזקים יותר. תוצאותיו יאפשרו סביבה נקייה יותר וחיסכון כלכלי. עבדנו בפרויקטים עם התעשייה האווירית ועם מספר מפעלים מובילים בתחום ייצור החומרים בישראל, בנוסף, ישנה התעניינות רבה בתחום זה גם בחו"ל. זה חומר שיכול אולי לסייע לבניית גשרים או להשתלב בשלד של מבנים קטנים".
ככל שחומר קל וחזק יותר כך דרושה פחות אנרגיה להזיז אותו או לתפעל אותו, כך שאם לדוגמה סגסוגת האלומיניום הזו תחליף מתכות כבדות וחלשות יותר ברכבות, הרי שאותו מנוע יזדקק לפחות דלק כדי להניע את הרכבת ובכך תיחסך אנרגיה וזיהום האוויר יפחת. "בשפה פשוטה, אנחנו יוצרים במחקר זה חומר שעשוי לתת פתרון לבעיית צריכת האנרגיה בעולם, עלי ידי כך שממנו ייבנו כלי רכב או חלקי כלי טיס שיוכלו לנוע למרחקים יותר גדולים עם אותה כמות דלק", מדגיש ד"ר ברודיאנסקי.
הצעד הבא, מצדה של מעבדת המחקר של ד"ר בורודיאנסקי מהמחלקה להנדסת כימיה וחומרים באוניברסיטת אריאל, היא לשפר את תכונותיו הפיזיקליות של אותו אלומיניום, כדי לאפשר לו למשל להוליך חום. "אחת הבעיות של תעשיית האלקטרוניקה כיום היא בכך שלא מצליחים להשיג חומר שיכול לעמוד בטמפרטורות שיוצרים המעבדים של הסמארטפונים או המחשבים, אולי חומר כזה יגרום לקפיצה במהירויות המעבדים כי הצ'יפים יוכלו לעמוד בחום", מסכם ד"ר בורודיאנסקי, "אבל אנחנו רק בשלבים הראשוניים של מחקר זה".
לקריאה נוספת:
החוקרת הישראלית שלא הסתפקה בפתרונות הרפואה ופיתחה לבתה מכשיר מציל חיים
הטיפול החדשני שעשוי לרפא הפרעות התנהגות, אוטיזם ודיכאון
למחקרים נוספים של אוניברסיטת אריאל