פולימרים בזרם

 

כל כבאי מתחיל לומד עד מהרה, שכדי להזרים מים בצינור בעוצמה שתאפשר לזרם להגיע למרחוק, יש להשקיע אנרגיה לא מעטה. כשמדובר בשריפות שמתחוללות בבניינים רבי קומות, יכולתם של הכבאים להפעיל זרם מים שיגיע לגובה רב היא, לפעמים, קו הגבול שבין חיים למוות. אחד הגורמים שמקשים על הכבאים בתחום זה הוא תופעת הטורבולנטיות - היווצרות מערבולות גועשות וכאוטיות - המתחוללת במים שמוזרמים בצינור במהירות גבוהה. בשנת 1964 התגלה בדרך מקרה, שהוספת חומר פולימרי ארוך-שרשרת למים הגועשים שבצינור מפחיתה את ההפרעה שיוצרת הטורבולנטיות, ומאפשרת לזרם המים הפורץ מהצינור להגיע למרחקים ולגבהים גדולים יותר (חומר פולימרי בנוי כמעין שרשרת ארוכה של מולקולות קטנות יחסית).

 

כבאים בכל העולם משתמשים בתחבולה הזאת - הוספת חומר פולימרי ארוך-שרשרת למים - דרך קבע. השיטה מיושמת גם להפחתת האנרגיה הנדרשת להזרמת נפט בצינורות הובלה ארוכי טווח, אך פיתוחם של יישומים נוספים נעצר בשל אי-הבנת המנגנון הבסיסי של התופעה. ביחס לעובדה שהשיטה פועלת אין כיום ויכוח. אבל מדוע זה קורה? כיצד הוספת החומר הפולימרי למים מאפשרת לאותה כמות אנרגיה להזרים את המים הגועשים שבצינור במהירות ובעוצמה רבות יותר? מדענים רבים, במקומות שונים בעולם, ניסו לפתור את התעלומה הזאת, ללא הצלחה, במשך עשרות שנים. אלה היו פני הדברים עד שבאחרונה נפתרה התעלומה בידי קבוצת חוקרים שכללה את פרופ' איתמר פרוקצ'יה, ד"ר ויקטור לבוב, ד"ר אנה פומיאלוב, והחוקר הבתר-דוקטוריאלי וסיל טיברקביץ מהמחלקה לפיסיקה כימית של מכון ויצמן למדע.

 

למעשה, התעלומה הייתה גדולה עוד יותר, מכיוון שבאופן אינטואיטיבי נראה היה שהוספת החומר הפולימרי למים הגועשים שבצינור דווקא תגדיל את צמיגות המים, דבר שיאט את קצב הזרימה ויחייב השקעה של אנרגיה רבה יותר כדי להזרימם בעוצמה. מולקולת הפולימר מצויה בדרך כלל במצב מקופל ומפותל, אבל כשהיא מצויה במים שבצינור, הזרימה הטורבולנטית, שמתחוללת בכיוונים שונים ובעוצמות שונות במקומות שונים, גורמת ליישור של המולקולה, ה"נמתחת" ומתארגנת כמעין מחרוזת ארוכה של חרוזים. התארגנות זו של המולקולות הפולימריות אכן מגדילה את צמיגות המים, דבר שגורם להפסדי אנרגיה, אבל מדעני המכון גילו שבאותה עת, ההתארגנות הזאת מפחיתה במידה משמעותית את זרם התנע של המים, דבר שגורם להגדלה משמעותית של התנע עצמו. זרם התנע נע בזווית ישרה לכיוון התנועה של הזרימה, ולפיכך הוא מפריע לזרימה, מאט אותה, ומחייב השקעה של אנרגיה כדי להתגבר עליו. משמעות הדבר היא, שהחלשת זרם התנע מחזקת וממריצה את התנע של הזרימה.

 

המדענים חישבו ומצאו שבמאזן הכולל, הרווח של הגדלת התנע גדול בהרבה מההפסד שנוצר כתוצאה מהגדלת החיכוך, ולכן, כאשר מוסיפים למים חומר פולימרי ארוך-שרשרת, המים המוזרמים בצינור זורמים במהירת רבה יותר, וכשהם פורצים החוצה, הם מגיעים למרחקים ולגבהים גדולים יותר. באותה מידה, הוספת הפולימרים ארוכי-השרשרת לנפט המוזרם בצינורות מקטינה את כמות האנרגיה הדרושה להזרמה.

 

הבנת התהליך הבסיסי הגורם לתופעה תאפשר בהמשך לשפר את הביצועים, ולהרחיב את ניצול התופעה בכיוונים ובתחומים חדשים. לדוגמה, מדעני המכון בוחנים עכשי את האפשרות להחליף את הפולימרים ארוכי-השרשרת בבועות אוויר זעירות. פיזור בועות אוויר ליד הקוער של אוניות, למשל, עשוי להקטין את חיכוך קוער האוניה במים, דבר שעשוי לאפשר חיסכון ניכר בדלק.