RESEARCH

החודש התפרסם מאמר פורץ דרך של פרופ' טל אלנבוגן, מהמחלקה לאלקטרוניקה פיזיקלית בבית הספר להנדסת חשמל וראש המעבדה לננו אלקטרואופטיקה, יחד עם חוקרים נוספים מאוניברסיטת תל אביב ואוניברסיטת בראון בארה"ב, בתחום של יצירה ושליטה בקרינת טרה-הרץ בעזרת מטא-חומרים בעיתון היוקרתי  Nature Communications.

גלי טרה-הרץ

גל אלקטרומגנטי הוא למעשה "הפרעה" של שדה חשמלי ומגנטי בעלת מחזוריות ומבנה גלי המתפשטת במרחב במהירות האור. גלים אלקטרומגנטיים, כמו גלי רדיו, מגיעים בתחום רחב של תדירויות המכונה הספקטרום האלקטרומגנטי (כלומר אוסף כל הגלים האלקטרומגנטיים). ספקטרום זה משתרע מגלי הרדיו בעלי תדירויות נמוכות ועד לגלי גאמה (קרינה בתדירות גבוהה מזו של X-ray). האור הנראה, התדירויות אותן בני האדם יכולים לראות, הוא רק חלק קטן מכל התחום של גלים אלקטרומגנטיים. 

כיום קיימים אמצעים מדעיים וטכנולוגיים כגון אנטנות, מנורות, לייזרים וגלאים המאפשרים להפיק ולקלוט גלים על פני כמעט כל תחומי הספקטרום האלקטרומגנטי. אמצעים אלו מאפשרים אינספור של ישומים כמעט בכל תחומי המדע והטכנולוגיה הקיימים מתקשורת, דימות, זיהוי עצמים עד לאבחון רפואי. לעומת זאת תחום גלי הטרה-הרץ, המתנדנדים בתדירויות הנמצאות בין גלי מיקרו לאור האינפרא אדום, נותר באפלה. הסיבה היא מכיוון שתדירויות אלו מהירות מידי ליצירה וקליטה בעזרת מעגלים חשמליים ובעלות אנרגיות נמוכות מידי ליצירה וקליטה באמצעים המשמשים ליצירה וקליטה של אור. אמנם קיימים מספר אמצעים ליצירה ולקליטה של קרינת טרה-הרץ, אך אלו מוגבלים ביכולת השליטה בתדירויות ובעוצמות שלהם, או מצריכים תנאי הפעלה קיצוניים כגון טמפרטורות נמוכות מאוד. בנוסף, קיימים רק כלים מעטים לעיצוב קרני טרה-הרץ כמו עדשות או מקטבים. למרות הקושי בעבודה עם קרינת טרה-הרץ, מאמצים רבים מושקעים בפיתוח רכיבים יעילים לתחום תדירויות זה עקב מגוון של שימושים חשובים של קרינת טרה-הרץ. מערכות המשתמשות בקרינת טרה-הרץ יפתחו את הדלת לזיהוי ואף שליטה במולקולות, זיהוי של תרופות אמת או תרופות מזויפות, דימות רפואי בקרינה שאינה מייננת, גילוי חומרי נפץ, חומרי ריסוס, יצירת תקשורת נתונים מהירה ועוד מגוון רחב של יישומים חשובים.

יצירה עיצוב ושליטה בקרני טרה-הרץ על ידי מטא-משטחים אופטיים

מחקר חדש שבוצע על ידי הסטודנטים שי קרן צור ומאי טל מהקבוצה של פרופ' טל אלנבוגן מבית הספר להנדסת חשמל, בשיתוף פעולה עם ד"ר שר-לי פליישר מבית ספר לכימיה באוניברסיטת תל אביב ופרופ' דניאל מיטלמן מאוניברסיטת בראון שבארה"ב, מראה כיצד ניתן להשתמש במשטחים דקים (בעובי עשרות ננומטרים) המכונים מטא-משטחים אופטיים, ליצירה יעילה של קרינה בתחום הטרה-הרץ ולעיצוב ושליטה בקרינה.

המשטחים בנויים מאלמנטים בסקאלה ננומטרית, שיוצרו במרכז הננו של אוניברסיטת תל אביב. כל אלמנט כזה משמש כננואנטנה הקולטת אור מלייזר בתחום האיפרא-אדום בעל פולסים קצרים באורך של פמטו-שניות ומייצרת ביעילות יחסית פולסים של קרינת טרה-הרץ. על ידי שליטה באנטנות על גבי המטא-משטח החוקרים מראים שניתן לעצב את צורתו המרחבית והזמנית של פולס הטרה-הרץ שנוצר בצורה שלא ניתנת להשגה באמצעים הקיימים עד כה. היכולת הזו פותחת פתח למגוון רחב של יישומים חדשים לקרינת טרה-הרץ.

החוקרים מאמינים שבעתיד יהיה ניתן לשלב מקורות חדשים כאלו במערכות גילוי ואפיון חומרים, רכיבים, תרופות ובמערכות דימות טרה-הרץ רפואיים.

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

במעבדה של ד"ר פנחסיק Biomimetic Mechanical Systems and Interfaces מתמקדמים בביומימטיקה. כלומר, לומדים מאופן פעילותן של חיות בטבע, למשל חרקים וזוחלים, על מנת למצוא פתרון לבעיות אנושיות. את הפתרונות הטבעיים מתרגמים לשימוש בחומרים חכמים שהופקו במעבדה, ומנגנונים פיסיקליים והנדסיים, למשל רובוטים, שמחקים את פעולות החרקים והזוחלים

לקבל השראה מהטבע לפתרון בעיות אנושיות

חיות בטבע מתמודדות עם בעיות קיומיות רבות הנובעות מאתגרים סביבתיים כגון: כיצד לשרוד בתנאים מדבריים? איך ניתן ללכת מתחת למים באיזורים רטובים? כיצד להעביר נוזלים ממקום למקום בצורה יעילה? כיצד להישאר נקיים בסביבה בוצית? בטבע ניתן למצוא פתרונות חכמים לבעיות אלו. פתרונות אלו התפתחו לאורך האבולוציה והתייעלו כך שכבר בגדלים קטנים מאוד, ננומטריים, ניתן לראות שימוש נפלא בצורה ובחומר, אשר משפיעים על התכונות המאקרוסקופיות.

דוגמא מרתקת היא של חיפושית שחיה במדבר נמיב (מדבר באפריקה הדרומית) אשר משתמשת בטל הבוקר על מנת להרוות את צימאונה. הגב שלה מכוסה במבנה מיוחד של בליטות מיקרומטריות שמושכות אליהן מים ומרכזות אותם בטיפות מסודרות. הטיפות הללו גדלות, מתחברות אחת לשניה ובשלב מסויים מתגלגלות אל פה החיפושית. למעשה, החיפושית אינה עושה שום פעולה אקטיבית- איסוף המים מתרחש בגלל תכונות פני השטח שעל גבה, עם קצת עזרה של הרוח. לטאות מסוימות אף משתמשות במנגנונים מתוחכמים על מנת לשנע מים מגבן אל הפה. הן מכוסות בקשקשים היוצרים רשת דו-מימדית על גבן. הרשת היא למעשה דיודה לנוזלים - מאפשרת הולכת המים בכיוון אחד - היישר אל תוך הפה.

לחקות את הטבע 

"במעבדה החדשה שלנו, אנו מבקשים להבין את המנגנונים מאחורי הפתרונות החכמים מהטבע: מה הם החומרים המשמשים את החרקים והלטאות? מה מיוחד בפני השטח שלהן, שמאפשר פתרונות יעילים לאתגרים סביבתיים? אנחנו שואפים ללמוד מחיות אלו על מנת לפתח חומרים חדשים ומערכות שמחקות את הפעולות הללו בהצלחה. באופן אידיאלי - אנו שואפים לא רק לחקות אלא גם להתעלות ולהרחיב מעבר למה שהטבע מציג לנו. מאחר והטבע מורכב, הדרך להבין אותו חייבת להיות רב-תחומית. מסיבה זו הצוות שלנו הוא רב תחומי ומורכב ממהנדסים מכניים, פיסיקאים, כימאים ומהנדסי חומרים" מסבירה ד"ר פנחסיק.

בתמונה: תקריב של רגל חיפושית רגע לפני המגע עם טיפת מים.

עד היום, תחום אחריות האנוש באינטראקציה עם אוטומציה נידון מהצדדים הפילוסופיים, האתיים והמשפטיים בלבד בזמן שניר דואר, דוקטורנט במחלקה להנדסת תעשייה, תחת הנחייתו של פרופ' יואכים מאייר, בוחן אותו לראשונה מתוך זווית ראייה של הנדסה קוגניטיבית. ניר ופרופ' מאייר מפתחים מודלים ומדדים מתמטיים-סטטיסטים המאפשרים לכמת בצורה אובייקטיבית את "אחריות" האדם המפעיל או מפקח על מערכות  אוטומטיות מתקדמות. בנוסף לפיתוח תאורטי, הם  מבצעים ניסויי מעבדה נרחבים, בהשתתפות עשרות סטודנטים מהמחלקה להנדסת תעשייה, בהם הם בוחנים עד כמה התאוריה שהם פיתחו יכולה לחזות  התנהגויות אנושיות בפועל.

המודל התיאורטי לכימות אחריות (ResQu) של אינטראקציה אנושית במערכות אוטומטיות שניר פיתח מתבסס על  תורת האינפורמציה. הניתוח מגלה שבפועל במקרים רבים האחריות התורמת של האדם הינה נמוכה, גם כאשר לכאורה מוקצים לאדם תפקידים מרכזיים. לפיכך, המדיניות המקובלת כיום של שמירה על "אדם בחוג", ושימוש בבקרה אנושית משמעותית, הינה מטעה ולמעשה לא יכולה להכווין את קביעת המדיניות על האופן בו נכון לערב בני אדם בתפעול ובקרה של אוטומציה מתקדמת.

"מודל האחריות שלנו יכול לשמש בעת קבלת החלטות לגבי עיצוב המערכת ולסייע לקביעת מדיניות ולהחלטות משפטיות בנוגע לאחריות אנושית באינטראקציה עם מערכות אוטומטיות מתקדמות" מסביר ניר. "הדרישה להשאיר לאדם תפקיד בתפעול או בקרה של מערכת אוטומטית לא מבטיחה שבפועל תהיה לו יכולת תרומה משמעותית. המחקר שלנו מראה שלאדם יש אחריות תורמת רק במקרה שיש לו יכולת מסוימת המשלימה או עולה על זו של המערכת האוטונומית, באמצעות איזשהו יתרון אנושי מובהק או מקור מידע ייחודי אחר שלמערכת הממוחשבת אין".

הניסויים שלנו הראו שכאשר אנשים  נעזרים באוטומציה מתקדמת שיש לה יכולת העולה בהרבה על  שלהם, הם נוטים להתערב יותר מהנדרש, מבצעים שגיאות, ולמעשה פוגעים ברמת הביצועים המיטבית שיכלה לספק המערכת האוטומטית לולא מעורבותם.

נשאיר אתכם עם שאלה למחשבה: מה תהיה אחריות האדם כשהיתרון האנושי יישחק. עם התפתחות טכנולוגיות AI, המעורבות האנושית המשמעותית במערכות אוטונומיות תלך ותפחת, כמו גם היכולת האנושית לפקח עליהן, ואז, מה יהיה הטעם להכניס לתמונה אדם אם תפקידו העיקרי יהיה רק לחטוף את האשמה במקרה של תקלה?

עוד על המחקר של ניר דואר

לכתבה בעיתון הארץ

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

מחקר חדש של ד"ר אבינועם רבינוביץ, מבית הספר להנדסה מכנית בפקולטה להנדסה אוניברסיטת תל אביב חוקר הטמנת פחמן דו-חמצני במאגרים תת קרקעיים עמוקים במטרה לבסס שיטה להפחתה מאסיבית של פליטת גזי חממה.

נזקי שינוי האקלים

רבות מדובר על ההתחממות הגלובלית והשפעותיה. מידי שנה מתפרסמים נתונים על ידי הפאנל הבין-ממשלתי לשינוי האקלים המראים שהטמפרטורה הממוצעת העולמית עולה כ-0.8 מעלות מאז התפתחות התעשייה וצפויה להמשיך לעלות (בעשורים הקרובים תגיע ל-1.5 מעלות מעל זאת שלפני התיעוש).

תופעות מדאיגות הנלוות לעליית הטמפרטורה הן המסת קרחונים, עליית מפלס האוקיינוסים, בצורות, גלי חום, הצפות, שריפות ענק ועוד. ההשפעה האנושית על ההתחממות הגלובלית היא ככל הנראה קריטית! 

כמות הפחמן הדו-חמצני (CO₂) המצוי באטמוספירה עלתה באופן חד בעשורים האחרונים והיא כמעט פי 2 מהממוצע במאות אלפי שנים האחרונות, וזאת כתוצאה משריפת דלקים פוסיליים (הדלק הפוסילי כולל שלושה סוגי חומרים: פחם, נפט וגז-טבעי). יש הטוענים שהמשך הקיום האנושי תלוי ביכולת שלנו להפחית את ההתחממות הגלובלית, ובפרט הפחתת פליטת הפחמן הדו-חמצני.

מטמינים את פליטת הפחמן הדו-חמצני עמוק באדמה

אחד הפתרונות שיכולים להוביל להפחתה מאסיבית של פליטת הפחמן הדו-חמצני הוא הטמנתו במאגרים תת קרקעיים עמוקים כגון אקוויפרים מלוחים שאינם בשימוש. התהליך מורכב משלושה שלבים: ראשית, פחמן דו-חמצני  נאסף מהאטמוספירה או ממקורות כגון תחנות כוח ומפעלים. שנית, יש צורך בשינוע של הפחמן הדו-חמצני אל נקודות המתאימות להחדרה. לבסוף, הפחמן הדו-חמצני  מוחדר למאגרים תת קרקעיים דרך קידוחים במטרה לאגור אותו למשך אלפי שנים. הטכנולוגיה הזאת יושמה במספר פרוייקטי אב-טיפוס ואף באופן מסחרי בפרוייקטים בודדים, המפורסם שבהם נמצא בשדה הגז סלייפנר שבנרווגיה.

​

כלוא באדמה

מטרת המחקר היא להבין את התהליכים שיעבור הפחמן הדו-חמצני  בעת שישהה במשך אלפי שנים יחד עם מים מלוחים באקוויפר שבעומק האדמה. הכוונה היא לוודא שהפחמן הדו-חמצני  אכן ישאר כלוא ולא יחלחל חזרה למעלה (ה- CO₂  קל יותר מהמים!) ויגיע לאטמוספירה דרך סדקים בסלע התת קרקעי. כמו כן חשוב להבין מה הלחצים שיתווספו למאגר על מנת לבצע את ההחדרה באופן מבוקר כדי שלא יהיה סידוק ושבירה של הסלע. המחקר נעשה באמצעות מודלים תיאורתיים ונומריים, הכוללים סימולציה של זרימה במאגרים או הדמיה של דגימות סלע הנלקחות מהמאגר, דבר המאפשר הבנה מעמיקה של התהליכים הפיסיקליים.

פרסום מאמר

המאמר של ד"ר רבינוביץ פורסם במגזין Journal of Petroleum Science and Engineering. מעבר למאמר

מחקר חדש שמומן ע"י משרד האנרגיה ומשרד הגנת הסביבה הנערך ע"י פרופ' הדס ממן יחד עם הסטודנטים מהפקולטה להנדסה וד"ר יורם גרשמן מאורנים מציע דרכים לשימוש חוזר בגזם צמחי ואף לייצר דלק אתנול טבעי מגזם עצים, מפסולת חקלאית ופסולת נייר.

הסטודנטים לדוקטורט רועי פרץ, שנה שלישית בתכנית להנדסת סביבה, ביה"ס להנדסה מכנית ויאן רוזן, שנה רביעית בבית הספר ללימודי הסביבה וכדור הארץ ע"ש פורטר והנדסת סביבה בהנחיתם המשותפת של פרופ' הדס ממן ושל ד"ר יורם גרשמן ממכללת אורנים בדקו במחקר חדש את האפשרות להשתמש בפסולת הגזם ופסולת נייר לייצור אתנול. מחקרם פורסם באתר הידען ובוואלה ואף זכו בגרנט נוסף של "היבטי סביבה – תחליפי נפט לתחבורה" יחד עם פרופ' אופירה איילון במחקר אוזונציה כטיפול מקדים להפקת אתנול מפסולת חקלאית כתחליף דלק תחבורה  - אופטימיזציה ואנליזת מחזור חיים – על מנת לבחון את התהליך הנ"ל ביחס לחלופות אחרות של מקורות אנרגיה לתחבורה.

הביומסה הצמחית

עבודתו של יאן מתמקדת בלחקור את השימוש באוזונציה בקדם הטיפול בגזם בתהליך הפקת ביו-אתנול. הייעוד העיקרי של האתנול הוא לשימוש בתחבורה ע"י מיהול עם בנזין ובכך להפחית צריכה של דלק ממקור מאובני ופליטת מזהמים. "המחקר שלי מראה שאין צורך בחשיפה ממושכת לאוזון ודי בחשיפה קצרה בכדי להתחיל ולאפשר תהליכי הידרוליזה אנזימטיים המניבים תפוקה גבוהה של חד סוכרים. חשיפות קצרות אלו לאוזון מוזילות את השימוש בו ועשויות להפוך את השימוש בו לישים תעשייתי" כך מסביר יאן.

​

הביומסה הצמחית (המסה הכוללת של כל החומר האורגני) מורכבת משלושה מרכיבים: צלולוז, המיצלולוז וליגנין. הצלולוז הוא סיבים של רב סוכר המורכב ממונומרים של חד שש סוכרים. ההמיצלולוז הוא רב סוכר הבנוי מקטעי שרשראות של חד חמש סוכרים ומשמש לחיזוק ולהגנה על הצלולוז. הליגנין הוא רשת בעלת מבנה תלת ממדי משתנה של פוליפנולים העוטפת את סיבי הצלולז וההמיצלולוז. תפקידיו של הליגנין הם להעניק קשיחות לצמח, עמידות בפני אנזימים וכיוב'. הימצאותו של הליגנין מונעת את פרוק הרב סוכרים לחד סוכרים המשמשים את השמרים לתסיסה וייצור האתנול. הדעה הרווחת היא שאמנם האוזון נמצא כיעיל בפרוק פנולים אך ייצורו יקר ונחוץ הרבה אוזון. סברה זו מונעת מהשימוש באוזון להיות מיושם תעשייתית. 

מפסולת נייר לדלק חלופי מסוג ביו-אתנול

רועי פרץ מתמקד במחקרו במעבדה של פרופ' ממן בהמרת פסולת מחזור הנייר והשבת חומרים יקרי ערך. בישראל בלבד נוצרים יותר ממליון טונות של פסולות נייר וקרטון, כאשר רק 50% מתוכם הולכים למחזור ושימוש מחדש, לרוב במפעל "נייר חדרה". כתוצאה מתהליך המחזור מתקבל תוצר לוואי לא רצוי בדמות 31,000 טונות בשנה של פסולת מחזור נייר (RPS-Recycled Paper Sludge). נכון לרגע זה, אין שימוש ממש לפסולת זו אשר מכילה אחוז גבוה מאוד של סיבי צלולוז (75% משקלי).

במחקר המוצע, נבחנת המרת פסולת מחזור הנייר והשבת חומרים יקרי ערך- החל מאפיון הפסולת, בחינת תהליכי טיפול מקדים חדשניים מבוססי אוזונציה, בחינת טיפול אנזימטי ואופטימיזציית התהליך. פסולת הנייר תורמת לשני מוצרים יקרי ערך: דלק חלופי מסוג ביו-אתנול וננו קריסטלים מצלולוז. "מחקר זה יכול לתרום לפיתוח עקרון "פסולות לדלקים" בישראל ובעולם, במיוחד בהתחשב בכמויות ההולכות וגדלות של פסולות אשר בלא מוצא אחר, נטמנות במטמנות ייעודיות" לפי רועי.

​

מולטי-דיציפלינריות במחקר

אוניברסיטת תל אביב והפקולטה להנדסה בפרט, תורמים רבות במחקר בדגש על מתן תשתיות מתקדמות ומפותחות המאפשרות מחקר ברמה הגבוהה ביותר. כמו כן, שיתוף הפעולה בין ביה"ס להנדסה מכאנית לבין מחלקות אחרות (כימיה, הנדסת חומרים ולימודי הסביבה) באוניברסיטת תל אביב מאפשר פיתוח מולטי-דיסיפלינרי המערב תחומים שונים של מחקר ומעצים אותו. בנוסף, אוניברסיטת תל אביב תומכת בפרסומים, נסיעות מחקר של סטודנטים וקידום קשרים עם חוקרים אחרים ברחבי העולם, דבר הנושא פרי הנראה בהתעניינות הרבה שהמחקר שואב. המכשור ההנדסי והטכני שמהווה את הבסיס למחקר, נמצא בפקולטה להנדסה במעבדה לטכנולוגיות מים, בדגש על מערכת האוזונציה המתקדמת. מערכת זו מאפשר המרה של גז חמצן לתערובת עשירה באוזון, שהינה החומר המגיב שעומד בעיקרו של המחקר.

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה הפתרון