RESEARCH

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

מאז ועד היום, מגיעים בכל שנה ב-17 בדצמבר חובבי תעופה לחוף הים בעיירת kitty Hawk שבצפון קרולינה בארה"ב, ממנו המריאו האחים רייט בטיסתם הראשונה, כדי לציין את יום השנה לאותה טיסה היסטורית. השנה מציינים בעולם 112 שנים לתחילת עידן התעופה המודרנית, אז ניצלנו את ההזדמנות לשוחח עם פרופ' אבי זייפרט, ראש המעבדה לאווירודינמיקה מבית הספר להנדסה מכנית של אוניברסיטת תל אביב.

מציאת שיטות להקטנת צריכת הדלק

פרופ' זייפרט עומד בראש קבוצת מחקר המנסה לפתח שיטות לבקרת זרימה פעילה active flow control)) המשתמשות במפעלי זרימה חדשניים, אשר יחד עם מערך חיישנים ומערכות בקרה מסוגלים לשנות את מאפייני שדה הזרימה - שכבתית (תנועה בשכבות מקבילות ללא הפרעה בין השכבות) וערבולית (זרימת נוזל באופן לא מסודר). לכל השיטות האלו מטרה משותפת  - לשפר את האווירודינמיקה של זרימת הנוזל סביב ובתוך גופים, וכך לשפר את היעילות ולהקטין את התצרוכת האנרגטית (הדלק הנצרך להנעה) של כלי רכב שונים.

אז מה השתנה בעולם התעופה מאז טיסתם הראשונה של האחים רייט?

"אין ספק שהיום תעופה זה משהו יומיומי. המטוסים היום מהירים וגדולים יותר, נוחים, שקטים ובעיקר ממוכשרים, חשמליים וממוחשבים יותר," אומר פרופ' זייפרט. " יעילות מערכות ההנעה גדלה באופן משמעותי וזיהום האוויר הנפלט ממערכות ההנעה הופחת גם הוא – החלקיקי, הכימי והאקוסטי."

האם נכון לומר שהיתה התקדמות הדרגתית, אך לא מהפכות בתחום?

"זה בהחלט נכון. התקדמות התעופה הינה הדרגתית, והיא נובעת מכך שמדובר בתחום בו תלויים חיי אדם," משיב פרופ' זייפרט. "התעשייה הינה מאוד שמרנית גם בגלל העלות הגדולה של פיתוח וייצור של מטוסים. יש סיבה שהיום בעולם יש רק שתי חברות המייצרות מטוסי נוסעים גדולים – איירבאס ובואינג. פרק הזמן שעובר בין תחילת תכנון של מטוס חדש ועד שהוא יוצא לשוק יכול להגיע ל-20-10 שנה. ההשקעה הכלכלית היא עצומה ואין תמריצים בשוק כזה להימורים גדולים. את הטכנולוגיות החדשות והניסיוניות יותר אפשר לראות בכלי טיס צבאיים (שם הצורך בחדשנות מאוד גדול) או במזל"טים ובכלים לא מאוישים אחרים, שבהם טעויות לא עולות בדרך כלל בחיי אדם".

"אך חשוב להבין שבתחום הזה כל שינוי קטן הוא מאוד משמעותי. הפחתה של צריכת הדלק של מטוסים, אפילו באחוזים בודדים, יכולה להוות חסכון של מיליארדים בצריכת הדלק וגם הפחתה משמעותית בזיהום האוויר שיוצר המטוס. הדבר נכון גם לגבי מערכות תחבורה קרקעיות מהירות, כדוגמת כלי רכב כבדים בכביש המהיר וטורבינות רוח גדולות."

צפו בפרופ' אברהם זייפרט מספר על הפטנט הייחודי שפיתח בהנדסת מטוסים ועל יתרונותיו

האתגרים בדרך לכלי רכב פרטי מעופף

ומה האתגרים שנשארו בתחום? "החסם הטכנולוגי המשמעותי ביותר כיום נובע מהתקרבות מהירות הטיסה למהירות הקול. כשטסים במהירויות כאלו נוצרים גלי הלם על כלי הטיס, המגדילים באופן משמעותי ביותר את תצרוכת הדלק. גם אם קיימת טכנולוגיה שיכולה לאפשר טיסה מסחרית מהירה יותר, אין בה הגיון כלכלי. כדי שישתלם לחברות התעופה להשקיע במטוסים מהירים קצת יותר, הן תצטרכנה להכפיל או לשלש את מחיר כרטיסי הטיסה, וברור שזה אינו תמחור ריאלי, גם תמורת הקטנה משמעותית של זמן הטיסה, במיוחד עקב הצורך בבדיקות ביטחוניות ובטיחותיות ממושכות לפני ואחרי כל טיסה."

"אני סבור שבעתיד נראה התפתחויות בתחום של כלי הטיס האישיים – כלי רכב פרטי מעופף, חשמלי ואוטונומי לחלוטין, שיוכל להמריא מגג או חצר הבית שלנו עד ליעד אליו נרצה להגיע. אך הדרך לכלי טיס כאלה עדיין ארוכה. העלות של נסיעה כזאת יקרה בהשתמש בטכנולוגיות נוכחיות בפקטור של עשרות מונים לעומת נסיעה לאותו יעד במכונית, בגלל תצרוכת האנרגיה הגבוהה ועלות הייצור של כלי הטיס עצמו. מעבר לעלות, יש את עניין הבטיחות – איך נמנע תאונות במצב תיאורטי של אלפי כלי רכב מעופפים בנפח אוויר מוגבל? הניהול האוטומטי של המרחב האווירי הינה אחת הבעיות העיקריות."

"הפתרון של בעיות אלו נמצא במחקר אינטנסיבי במרכזים רבים בעולם וגם באוניברסיטת תל אביב, עם ההתפתחות בתחום הבינה המלאכותית וכלי הרכב האוטונומיים. גם עלות הייצור תרד משמעותית. מחויבת ההתקדמות גם בתחום הדפסה תלת-מימדית איכותית וזולה, שימוש בחומרים מרוכבים והמצאת חומרים חדשים וקלים יותר ושיטות מתקדמות של בקרת טיסה וזרימה."

עד שיגיעו המכוניות המעופפות שיחסכו לכולנו את זמן העמידה בפקקים, אפשר להגיד תודה לאחים רייט שהחלום שלהם להגיע לשמיים שינה את העולם שכולנו חיים בו.