הסכם שיתוף פעולה בינלאומי ליישום דרך חדשה לניצול אנרגיית שמש נחתם באחרונה במסגרת נציבות המדע והטכנולוגיה ישראל-ארה"ב, בין נציגי חברת "מקדונל דגלאס" מארה"ב לבין נציגי החברות הישראליות "אורמת" ו"רותם תעשיות". ההסכם נחתם במשרדי "מקדונל דגלאס" בהנטסוויל, אלבאמה, ארה"ב. שלוש החברות שחתמו על ההסכם יקימו מערכת הדגמה סולארית חדשנית ניסיונית, ביחידת המתקנים הסולאריים של המכון.

 

במערכת ההדגמה הסולארית החדשה ייושמו טכנולוגיות שפותחו על בסיס מחקרים של מדענים במכון. מערכת הדגמה זו תהיה המתקן הראשון מסוגו בעולם, שינצל אנרגיה אשר מקורה באור השמש להפעלה ישירה של טורבינות גז לשם הפקת חשמל. השאיפה להפקת חשמל באמצעות טורבינות גז נובעת בעיקר מהעובדה שטורבינות אלה יעילות ונצילות בהרבה מטורבינות הקיטור, המשמשות עדיין להפקת חשמל ברוב תחנות הכוח הקיימות כיום.

 

תחנת הכוח הסולארית החדשה תפעל באמצעות שדה של מראות שיקלטו את אור השמש, וירכזו אותו כלפי מראה עילית שתמוקם על מגדל שיוצב מול שדה המראות. המראה תפנה את אור השמש כלפי מטה, אל קבוצה של מערכות אופטיות מרכזות שימוקמו קרוב לקרקע. מערכות אלה ירכזו את האור עד לריכוז של פי 10,000-5,000 מהריכוז הטבעי של אור השמש המגיע לפני כדור הארץ. בשלב זה יופנה האור המרוכז לקבוצה של קולטי שמש ייחודיים שימוקמו על הקרקע. בקולטי השמש האלה יחומם אוויר דחוס, שישמש להפעלת טורבינות אשר יפיקו חשמל.

 

יתרונותיה של מערכת ההדגמה הסולארית החדשה נובעים משילוב טכנולוגיות ייחודי. ראשית, מתקני הייצור וההפקה - לרבות טורבינת הגז עצמה - ימוקמו על הקרקע ולא בראש המגדל (כפי שגורסות תפיסות תכנוניות קודמות). חידוש זה יביא לפישוט ולהוזלה ניכרת בעלות בנייתו של המגדל, שישמש רק לנשיאת המראה המחזירה. שנית, התכנון המתקדם של מערכות ריכוז האור (שיותקנו קרוב לקרקע), המבוסס על מחקריהם הראשוניים של מדעני המכון, יאפשר לרכז את אור השמש במידה הדרושה לחימום האוויר לטמפרטורות הנדרשות להפעלתן של טורבינת גז מתקדמות.

 

החידוש השלישי הוא קולט השמש המקורי המכונה "קיפוד", שהוא פרי מחקר של מדעני המכון. בקולט מותקנות "סיכות" הבנויות מחומר קרמי, המוצבות במבנה גיאומטרי שמאפשר קליטה וניצול מרביים של קרינת השמש. אוויר דחוס שזורם בין הסיכות מתחמם ומוזרם אל טורבינת הגז המפיקה חשמל. אור השמש חודר אל הקולט מבעד לחלון זכוכית (קווארץ) בעל מבנה קוני, שיכולתו לעמוד בלחץ גדולה מכוח העמידה בלחץ של פלדה. תכונה זו מאפשרת הזרמה וחימום של אוויר דחוס מאוד, הדרוש להפעלה יעילה של טורבינת הגז המפיקה חשמל.

 

כאמור, מקורן של אחדות מהטכנולוגיות שייושמו בתחנת הכוח הסולארית החדשה הוא במחקרים של מדעני המכון. לאחר השלבים הראשוניים של המחקר הצטרפו למדעני המכון חוקרים מחברת "רותם תעשיות", אשר היו שותפים לתכנונו ולבנייתו של הדגם הראשוני של קולט ה"קיפוד" ולגיבוש התפיסות התכנוניות של המרכיבים האופטיים הכלולים בו. רוב המחקרים שהתבצעו עד לשלב זה נתמכו בידי המדען הראשי של משרד האנרגיה (כיום משרד התשתיות הלאומיות). כשהמחקר הגיע לשלב מתקדם יחסית, הוקם הקונסורציום התעשייתי "קונסולר" במסגרת תוכנית מגנ"ט של לשכת המדען הראשי במשרד התעשייה והמסחר, במטרה לקדם את יישום הטכנולוגיות החדשות. בקונסורציום זה שותפים הגופים הבאים: החברות "רותם תעשיות", "אורמת", "חץ הכסף", התעשייה האווירית, מכון ויצמן למדע, אוניברסיטת תל אביב ואוניברסיטת בן-גוריון בנגב.

 

כדי לממש את הטכנולוגיות שפותחו במסגרת קונסורציום "קונסולר", ולפתח מוצר תעשייתי (כלומר, לבנות תחנות כוח סולאריות שיפיקו חשמל במחיר תחרותי בהשוואה למחיר החשמל המופק בתחנות כוח קיימות), הוחל - במסגרת נציבות המדע והטכנולוגיה ישראל-ארה"ב - בשיתוף פעולה נוסף, בין החברות "אורמת" ו"רותם תעשיות" מישראל, לבין חברת "מקדונל דגלאס" מארה"ב. כאמור ההסכמים לשיתוף פעולה זה נחתמו באחרונה במשרדי "מקדונל דגלאס" בהנטסוויל, אלבאמה, ארצות הברית.

 

בשלב הראשון של שיתוף הפעולה יקימו שלוש החברות - ביחידת המתקנים הסולאריים של המכון - תחנת הדגמה סולארית שתפעיל באנרגיית שמש טורבינה לייצור חשמל בהספק של 250 קילו-וואט. על בסיס הטכנולוגיות שייבחנו ויפותחו במסגרת התחנה הניסיונית הזאת ייוצרו בעתיד תחנות מסחריות בעלות הספק גדול בהרבה, שייתבססו על טורבינות גז במעגל משולב. תחנות מסחריות אלה יימכרו כ"מוצר שלם", למדינות ולארגונים שונים.

 

 

 

חומר שהתגלה במכון לפני שנים אחדות עשוי להגדיל במידה ניכרת את יעילותן ואת נצילותן של מכונות. אפשרויות אלה עולות מדו"ח מחקר שמתפרסם בימים אלה בכתב העת המדעי הבינלאומי היוקרתי "נייצ'ר" ("טבע"). דו"ח המחקר מתאר השוואה בין תכונות הסיכה של החומר החדש לבין חומרי סיכה מתקדמים מסוגים שונים, ועולה ממנו, כי החומר שגילו מדעני המכון מונע חיכוך בין חלקי מתכת נעים, ביעילות המגיעה עד פי 2.5 בהשוואה ליעילותם של חומרי הסיכה הקיימים.

 

כוח החיכוך הוא הגורם העיקרי להקטנת יעילותן של מכונות (הוא פועל נגד כיוון התנועה של חלקי המכונה הנעים, כך שכדי להתגבר עליו נדרשת המכונה להשקיע אנרגיה רבה יותר). כדי להפחית את החיכוך ואת הבלאי של חלקי המכונה משתמשים בחומרי סיכה שונים, אך גם החומרים האלה יוצרים מעין קרומים צמיגים הנצמדים לחלקי המכונה הנעים (מצד אחד) ומתחככים זה בזה (מצד שני), דבר שגורם להפחתת יעילות המכונה. חומר הסיכה האידאלי הוא, אפוא, חומר "מתבדל", שלא ייצמד לחלקי המכונה מצד אחד, ולא ייצור קרומים שיתחככו זה בזה מצד שני.

 

לפני יותר מעשור שנים גילו המדענים הארי קרוטו וריצ'ארד סמוליי מבנה מולקולרי חדש של פחמן, שנחשב כבעל סיכויים טובים לשמש חומר סיכה יעיל במיוחד. היו אלה מולקולות דמויות כדור-רגל שהכילו 60 אטומי פחמן. קרוטו וסמוליי (שזכו על תגלית זו בפרס נובל לכימיה לשנת 1996) כינו את המולקולות האלה "פולרנים", על שמו של האדריכל בקמינסטר פולר, שבנה מבנים כיפתיים לפי אותם עקרונות שעמדו בבסיס מבנה המולקולות החדשות. בהיותן בנויות ככדור סגור, מולקולות ה"פולרנים" אינן נוטות להיקשר לחומרים אחרים, ולפיכך הן נחשבות בעלות פוטנציאל לשמש חומרי סיכה יעילים. במשך זמן רב האמינו רוב המדענים בעולם כי המבנה המולקולרי הסגור, המכיל אטומים של חומר אחד בלבד, הוא אופייני לפחמן בלבד. אבל בשנת 1992 גילו פרופ' רשף טנא וחברי קבוצת המחקר שלו במכון, כי גם טונגסטן דו-גופריתי (שהוא חומר לא אורגני, כלומר אינו מכיל פחמן), מתארגן בתנאים מסוימים במבנים כלוביים סגורים, דמויי פולרנים. תגלית זו פתחה, למעשה, תחום מחקר חדש במדעי החומרים.

 

פרופ' טנא וחברי קבוצתו, ד"ר מנחם גנוט וד"ר לב מרגוליס (שמת לפני חודשים אחדים), שפעלו בשיתוף עם קבוצתו של ד"ר גרי הודס, גילו את התגלית תוך כדי עבודתם בפיתוח תאים פוטו-וולטאיים מתקדמים (תא פוטו-וולטאי הופך את אנרגיית השמש לחשמל). תוך כדי עבודתם בתחום זה הבחינו, כי החומר שגילו מפגין תכונות העשויות להקנות לו יכולת לשמש חומר סיכה יעיל במיוחד. בהמשך התברר כי אחד מיתרונותיהם של ה"כלובים הסגורים" של הטונגסטן הדו-גופריתי, המזכירים בצל בעל שכבות פנימיות רבות, נובע מהעובדה שהם גדולים בהרבה מה"פולרנים" הפחמניים. תכונה זו מאפשרת להם להפריד ולשמור על מרחק יעיל בין חלקי המכונות הנעים.

 

במחקר השוואתי שבוצע באחרונה, בראשותו של פרופ' רשף טנא ובהשתתפותם של ד"ר סידני כהן ותלמידי המחקר ישי פלדמן ומשה הומיונפר מהמכון; וד"ר לב רפפורט ועמיתיו מהמרכז לחינוך טכנולוגי בחולון, נבחן הטונגסטן הדו-גופריתי דמוי ה"פולרן" בתנאים תעשייתיים. בדו"ח המחקר שלהם ב"נייצ'ר" מדווחים החוקרים, כי הטוגסטן הדו-גופריתי דמוי ה"פולרן" מקטין חיכוך עד פי 2.5 בהשוואה לחומרי סיכה אחרים, וכי הוא מפחית את בלאי חלקי המתכת הנעים ומתחככים זה בזה בשיעור של פי 6-2.

 

חברות תעשייתיות רבות בעולם כבר מגלות עניין רב בחומר החדש (שעליו ועל השיטות להפקתו ולשימוש בו נרשמו פטנטים). כעת מתמקדים החוקרים בפיתוח שיטות להפקת כמויות גדולות של הטונגסטן הדו-גופריתי בצורתו דמויית ה"פולרן".

 

 

 

 

מוצרים תעשייתיים לא מעטים עשויים מתערובות של חומרים שונים. הצורך בתערובות נובע מהצורך לייצר מוצר מסוים מחומר שיתאפיין במספר תכונות שאי-אפשר לקבל אותן מחומר אחד ויחיד. כך, המדענים שמייצרים וחוקרים תערובות עוסקים, למעשה, ביצירת "שיתוף פעולה" בין חומרים שונים. אחת השאלות הנחקרות בתחום זה היא "שאלת פני השטח", כלומר, איזה חומר ממרכיבי התערובת יתרכז קרוב לפני השטח שלה, ואיזה חומר "יעדיף" להתרכז בעיקר באזורים פנימיים יותר של התערובת. לשאלה זו נודעת חשיבות רבה, מכיוון שהחומר שיתרכז בקרבת פני השטח הוא זה שיקבע את תכונות התערובת בתחומים שונים, כגון מידת החלקות של החומר, מידת החיכוך שלו עם הסביבה, יכולתו של החומר לקלוט או להחזיר קרינה מסוגים שונים, האם הוא נוח לשטיפה, ועוד.

 

מהן התכונות הגורמות לחומר מסויים "להעדיף" את קרבת פני השטח? מדוע חומרים אחרים מתרכזים בעיקר בעומק התערובת? פרופ' יעקב קליין ותלמיד המחקר אולריך שטיינר מהמחלקה לחקר חומרים ופני שטח במכון, בחנו באחרונה את השאלות האלה. הם יצרו תערובת שהכילה שני חומרים פולימריים דומים (פולימר הוא חומר שהמולקולות שלו בנויות כשרשרת ארוכה של יחידות זהות). לאחר שסיימו לערבב את התערובת והניחו לה לזמן מה, התברר שאחד מהפולימרים מתרכז בעיקר בקרבת פני השטח, שם הוא יוצר שכבה עבה יחסית: כ-1,000 אנגסטרום (אנגסטרום הוא עשירית מיליונית המילימטר). נמצא שכאשר התערובת כוללת שני פולימרים הדומים זה לזה מבחינה כימית, גדלה "שאיפתו" של הפולימר הגמיש יותר להתרכז בקרבת פני השטח של התערובת, תוך יצירת שכבות.

 

החוקרים הישוו את הממצאים האלה לניבויים תיאורטיים שונים, שחלקם אומתו בעקבות הניסוי. מתברר שתהליכי ההתעבות של החומרים שמתרכזים קרוב לפני השטח נשלטים ומונעים בעיקר על ידי כוח ואן-דר ואלס, הפועל בין מולקולות נייטרליות. הבנה זו של תהליכי התארגנות חומרים בתערובות תוכל אולי, בעתיד, לסייע בתכנון חומרים ותהליכים תעשייתיים שונים.

 

כדי לזהות את הפולימר שמצטבר בקרבת פני השטח של התערובת, ולמדוד את עובי השכבות שהוא יוצר, הפעילו המדענים את מאיץ היונים ואן דה-גראף שבמכון. מאיץ יונים זה נחנך במכון בשנת 1957 והוא חוגג השנה את יום הולדתו ה-40, מה שלא מפריע לו להמשיך ולשמש למחקרים המתבצעים בחזית המדע בעולם.

 

 

 

המוליך-למחצה (גאליום ארסני) הטהור ביותר בעולם יוצר באחרונה במרכז למחקר תת-מיקרוני במכון. האלקטרונים הנעים בחומר הטהור הזה יכולים לנוע למרחקים הגדולים ביותר שהושגו עד כה, מבלי להתנגש בחלקיקים אחרים. מדעני המכון שייצרו את החומר הטהור, ד"ר ולדימיר אומנסקי, תלמיד המחקר רפאל דפיצ'יוטי ופרופ' מרדכי הייבלום, נטלו בכך את הבכורה בתחום זה ממעבדות "בל" שבניו-ג'רסי, ארה"ב. הישג זה מעמיד לרשות חוקרי המכון אמצעי מחקר חשוב במירוץ העולמי לפיתוחם של מעבדים אלקטרוניים יעילים ומהירים יותר.

 

יעילותו ומהירות פעולתו של מעבד אלקטרוני תלויות, בין היתר, במשך הזמן הנדרש לאלקטרונים לנוע בחומר שממנו הוא עשוי. כדי להקטין עד למינימום את משך הזמן הזה, אפשר לנסות ולהקטין את המעבד עד כמה שאפשר. דבר זה יקטין את המרחקים שהאלקטרונים "צריכים" לעבור, ויקצר את משך הזמן שיידרש להם לשם כך. דרך אחרת מבוססת על האצת מהירות תנועתם של האלקטרונים בחומר שממנו עשוי המעבד האלקטרוני.

 

מהירות תנועתם של האלקטרונים בחומר כלשהו תלויה בין היתר במידת ה"טוהר" של החומר הזה. ככל שהחומר מכיל יותר "זיהומים" של חומרים זרים, נוטים האלקטרונים שנעים בו להתנגש לעתים קרובות יותר בחלקיקי חומר אחרים, דבר שמאט את מהירותם. ובהתאמה, ככל שחומר הוא טהור יותר, האלקטרונים שנעים בו עוברים מרחקים גדולים יותר מבלי להתנגש בחלקיקים אחרים, דבר שמתבטא בהגברת מהירות התנועה הממוצעת של האלקטרונים האלה.

 

מדענים במעבדות מחקר מהמתקדמות בעולם משקיעים בשנים האחרונות מאמצים רבים בייצור חומרים מוליכים-למחצה טהורים ככל שאפשר, במטרה לאפשר לאלקטרונים לנוע בתוכם במהירויות גדולות יותר ויותר, בתנועה המשמרת את הכיוון ואת האנרגיה של האלקטרונים (כלומר, ללא התנגשויות שמשנות את כיוון התנועה המקורי). השיא העולמי בתחום זה הוחזק עד לאחרונה בידיהם של מדענים ממעבדות "בל" של חברת AT&T בניו-ג'רסי, ארה"ב. שיא מהירות זה עמד על 11.7 מיליון סנטימטר בשנייה (117 קילומטר בשנייה), בשדה חשמלי של וולט אחד לס"מ. כאמור, מדעני המכון הצליחו באחרונה לייצר שכבות של חומר מוליך-למחצה (גאליום ארסני), שבהיותו נתון בטמפרטורה של 0.1 מעלת קלווין (עשירית מעלה בלבד מעל לאפס המוחלט), איפשר לאלקטרונים לנוע בתוכו במהירות של 14.4 מיליון סנטימטר בשנייה (144 קילומטר בשנייה, שהם 518,400 קילומטר בשעה), בשדה חשמלי של וולט אחד לס"מ.

 

חומר טהור זה יוצר במערכת ריק (ואקום) ייחודית שהותקנה ושוכללה במרכז למחקר תת-מיקרוני במכון. מערכת זו מחזיקה את שיא הריק העולמי (היא יוצרת את הלחץ הנמוך ביותר בעולם: 10 בחזקת מינוס 16 אטמוספרות). מדעני המכון הצליחו להשיג את הריק הקיצוני הזה באמצעות מערכת שאיבה ייחודית הפועלת בטמפרטורה של חמש מעלות מעל לאפס המוחלט, וכן הודות לשימוש בשערי מתכת נקיים, תנורים ייחודיים, וחומרי מוצא טהורים במיוחד.

 

גאליום ארסני הוא מוליך למחצה שאפשר לייצר ממנו התקנים אלקטרוניים מהירים ויעילים יותר מהתקני סיליקון. לדוגמה, הרכיב העיקרי במכשירי טלפון סלולאריים, וכן גם התקני הלייזר בנגני תקליטורים, עשויים גאליום ארסני.

 

במרכז למחקר תת-מיקרוני שבמכון, מבוצעים מחקרים שונים שתכליתם - בין היתר - פיתוח התקנים אלקטרוניים על בסיס גאליום ארסני, המיועדים לשמש במעבדים האלקטרוניים של מחשבי העשורים הראשונים של המאה העשרים ואחת.