RESEARCH

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

אנו מציינים כעת את חודש המודעות הבינלאומי לפצעי לחץ, אותו יזם וקידם פרופ' עמית גפן מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית בפקולטה להנדסה, בעת שהיה נשיא האיגוד האירופי לפצעי לחץ.

השפעתם של פצעי לחץ על תוחלת ואיכות החיים של מטופלים בכל הגילאים ובמגוון מצבים רפואיים כמו גם על עלויות בריאות היא עצומה, ולכן מוקדש מירב זמנו של פרופ' גפן בשני העשורים האחרונים לפעילות מחקרית בינלאומית ולקידום הידע המדעי בנושא ושילובו בהנחיות בינלאומיות למניעה וטיפול.

"כידוע, פצעי לחץ גובים מחירים קשים מילדים ופגים, צעירים וקשישים, מנותחים, יולדות ועוד, אולם בידינו היכולת לצמצם את השפעתם המזיקה באמצעות שיתוף פעולה ליצירת ידע מדעי חדש ושימוש בו לפיתוח  הנחיות, התוויות וטכנולוגיות פורצות-דרך. החלפת מידע מדעי וקליני חדש מבוסס-ראיות בנושא חשוב זה בין כל הגורמים הרפואיים, גופי הממשל ותעשיית המכשור והציוד הרפואי היא המפתח לקידום המניעה והטיפול בפצעים הקשים הללו" כך מסביר פרופ' גפן.

לאחרונה קיבל השיח הרב-מקצועי שיזם פרופ' גפן כאמור ביטוי באמצעי תקשורת שונים בישראל, ולהלן מספר קישורים לכתבות שפורסמו בימים ובשבועות האחרונים בהם מסביר על תופעת פצעי הלחץ, הסיבות ודרכי טיפול:

פצעי לחץ: עלייה דרמטית בשכיחות בישראל

כתבה ב - doctors

מיולדות ופגים ועד סופרמן: 11 עובדות על פצעי לחץ

כתבה ב - ynet 

מחקר פורץ דרך שפורסמם בעיתון היוקרתי – Nature Communications בנושא אלמנטים אופטים משטחיים של ד"ר טל אלנבוגן מהמחלקה לאלקטרוניקה פיזיקלית בבית הספר להנדסת חשמל בפקולטה להנדסה ע"ש פליישמן ואורי אביו סטודנט לתואר שני בבית הספר להנדסת חשמל.

לצלם עם עדשות דקות פחות מעובי של שערה.

עדשות קמורות הן אבן הבסיס בכל מכשיר אופטי כמו מצלמות, מיקרוסקופים, טלסקופים וכו'. בד"כ נדרשות מספר רב של עדשות כאלה על מנת לקבל תמונה באיכות גבוהה. אחת הסיבות לכך היא שכאשר  אנו רוצים לדמות (image) תמונה לא מונוכרומטית, כמו למשל בצילום באור יום, אורכי הגל השונים המרכיבים את האור הלבן ייתמקדו למקומות מעט שונים ונקבל תמונה מעוותת. תופעה זו, הקרוייה אברציות כרומטיות chromatic aberration)), מסבכת (ולכן גם מייקרת) את התכנון של מכשירים אופטים, ובנוסף גם מגבילה את העובי המינימלי של המכשיר, כמו למשל בטלפונים חכמים. בעיה זו יוצרת דרישה הולכת וגוברת למציאת תחליפים דקים יותר לעדשות אלה, תוך כדי שמירה על איכות מיקוד האור ועלות ייצור נמוכה.

​

שלוש עדשות לצבע לבצע אחר

בעבודה שפורסמה בעיתון היוקרתי Nature Communications, הראו אורי אביו וד"ר טל אלנבוגן מהמעבדה לננו אלקטרו-אופטיקה באוניברסיטת תל אביב בשיתוף עם ד"ר אוקלידס אלמידה ופרופ' יחיעם פריאור ממכון וויצמן, כיצד ניתן להשתמש בשלוש שכבות אולטרא-דקות של מטה-משטחים, על מנת לייצר עדשה מתוקנת אברציות כרומטיות. בעדשה זו, השתמשו החוקרים בננוטכנולוגיה על מנת לכתוב מערכים של ננו אנטנות העשוית ממתכות שונות, המגיבות לאור הנראה בצורה ייחודית. באמצעות שילוב של שלוש שכבות של מטה- משטחים אלה הצליחו החוקרים להרכיב שלוש עדשות שונות, אשר כל אחת מיועדת לצבע אחר, וביחד ממקדות אור לבן לנקודה אחת, וכל זאת במבנה בעובי של פחות ממאית עובי השערה. בנוסף הראו החוקרים מגוון של רכיבים אופטיים נוספים מבוססים על הטכנולוגיה החדשה. רכיבים אופטיים כאלו מהווים מוקד התעניינות בתעשייה לצורך פיתוחי מצלמות ואלמנטים אופטיים ממוזערים.

לכתבה המלאה: Composite functional metasurfaces for multispectral achromatic optics

בעבודת מחקר פורצת דרך שפורסמה החודש בכתב העת של האקדמיה האמריקאית למדעים PNAS , מראים מרינה חייקין - תלמידה לתואר שני בהנדסת חשמל בהנחייתו של פרופ' רמי זמיר מבית הספר להנדסת חשמל באוניברסיטת תל אביב, יחד עם ד״ר מתן גביש מבית הספר להנדסה ומדעי המחשב באוניברסיטה העברית - שניתן לייצר בסיסים מוגדלים טובים על ידי וקטורי הזמן של תת-קבוצה לא רגולרית של תדרים מתוך מטריצת התמרת פורייה דיסקרטית (DFT).

האפליקציה – קידוד אנלוגי בתקשורת

מידע המשודר דרך תווך פיזיקלי סובל מתופעות של רעש, דעיכות, הפרעות ועיוותים שונים. בכדי לאפשר שיחזור של המידע במקלט נדרש להגן עליו מראש על ידי תוספת של יתירות (redundantre presentation). שיטת התקשורת הנפוצה בימינו היא ספרתית (digital communication), שאז היתירות נוצרת על ידי הוספה של ביטי בדיקת זוגייות (parity-check bits). למרות זאת, יש לזכור שבדרך כלל הן המידע והן התווך הם במהותם אנלוגיים; לדוגמא, שידור של אותות דיבור ותמונה דרך ערוץ אלחוטי. לכן טיבעי לבחון גם גישות להוספת "יתירות אנלוגית": הרחבה ספקטראלית של אות המידע, או באופן כללי - פרישה של מרחב האותות על ידי בסיס מוגדל. למעשה, לקידוד אנלוגי יש יתרונות נוספים, כמו עמידות טובה יותר בתנאים של אי וודאות, וסיבוכייות מופחתת.     

מה זה בעצם בסיס מוגדל?     

למדנו באלגברה שבסיס אורתוגונלי פורש את המרחב אם גודלו שווה למימד המרחב, או את מרחב האותות אם גודלו כמספר דרגות החופש. בסיס מוגדל(over-complete basis, frame)  לעומת זאת מכיל יותר וקטורים מממד המרחב.  עובדה זו מאפשרת מגוון של שימושים בעיבוד אותות ותקשורת, דוגמת ייצוג אותות "דלילים" או הוספת יתירות לצורך קידוד אנלוגי. כמובן שבסיס כזה לא יכול להיות אורתוגונלי, וההגדרה של מהו "בסיס מוגדל טוב" נתונה לפרשנות. על פי אחת ההגדרות, בסיס מוגדל טוב נבחן ביכולת שלו לשחזר את המקור (כלומר לפתור מערכת של משוואות לינאריות)  מתוך תת-קבוצה אקראית של היטלים רועשים. תכנון וניתוח של בסיסים כאלה בממד גבוה הוא אתגר לא פשוט, שלרוב נפתר על ידי הגרלה אקראית של הווקטורים ואנליזה סטוכסטית, למשל ביישומים נפוצים כמו חישה דחוסה (compressed sensing) ולמידה חישובית (machine learning).

איזה תכונה אוניברסלית חדשה ומפתיעה מצאתם?

בבסיס העבודה נמצאת תכונת אוניברסליות חדשה ומפתיעה שגילינו, לפיה לבסיס מוגדל "טוב" יש תכונות דומות לאלו של מטריצות MANOVA,  מבנה המוכר מהתורה של מטריצות אקראיות. דוגמא לתכונה כזו היא פילוג הערכים הסינגולריים של תת-קבוצה אקראית של בסיס מוגדל.

אלו השלכות מעניינות של התוצאה גיליתם?

השלכה מעניינת של תוצאה זו היא שבחירה פשוטה אך מושכלת של וקטורי הבסיס מבטיחה ביצועי שיחזור טובים יותר מאלה (של בסיס אקראי) שעבורו לערכים הסינגולריים יש פילוג אופייני מסוגMarcenko  Pasturהעבודה עוסקת במגוון רחב של בסיסים מפורסמים – דטרמיניסטיים ואקראיים, וכוללת ניתוח שחלקו סטטיסטי וחלקו אנליטי עבור מגוון של פרמטרים ומדדי טיב. התכונות הטובות של בסיסים דטרמיניסטיים מאפשרות, בנוסף לשיפור בביצועים, חסכון בסיבוכיות מקום של מערכות תקשורת שיכולות לייצר את מנגנון הקידוד באופן מהיר ומובנה, במקום לשמור מטריצות אקראיות גדולות.

קישור למאמר