RESEARCH

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.

חוקרים מאוניברסיטת תל-אביב הצליחו להנדס חומר לא-לינארי חדש, שמאפשר שליטה חסרת תקדים בתדרים של אור. את החומר החדש פיתחו נדב סגל, שי קרן-צור, נטע הנדלר וד"ר טל אלנבוגן מהמחלקה לאלקטרוניקה פיזיקלית בבית הספר להנדסת חשמל בפקולטה להנדסה ע"ש פליישמן. המסטרנט נדב סגל קיבל על המחקר את הפרס על שם משפחת פדר על עבודת מחקר מצטיינת בתחום טכנולוגיות התקשורת, ואילו הדוקטורנט שי קרן-צור קיבל את מלגת המרכז לאנרגיה מתחדשת באוניברסיטת תל-אביב. תוצאות המחקר התפרסמו בכתב העת Nature Photonics.

הרוח היא אחד ממקורות האנרגיה הנקיים ביותר שנותן לנו הטבע, ומדענים ברחבי העולם מחפשים דרכים יעילות לרתום אותה לשימוש האדם. הקושי העיקרי הוא שהרוח, עוצמתה וכיווניה הם אקראיים ואינם ניתנים לחיזוי מדויק או לשליטה. במעבדתו של פרופ' אבי זייפרט בבית הספר להנדסה מכנית שבפקולטה להנדסה מפתחים טכנולוגיות חדשניות, שיאפשרו ניצול יעיל של אנרגיית הרוח גם במהירויות רוח נמוכות, בתנאים ובמקומות שונים.

לרתום את הרוח

"לרוח כמקור אנרגיה יש פוטנציאל גדול גם בישראל, בעיקר במקומות הגבוהים", אומר פרופ' זייפרט. אך לפני שנוכל להציב ברחבי הארץ טורבינות רוח להפקת חשמל, עלינו לפתור כמה בעיות טכנולוגיות: ראשית, הטורבינות הקיימות היום יעילות רק בטווח מסוים של מהירות רוח. במקומות ובזמנים בהם הרוח חלשה יותר, לא ניתן להסתמך עליהן. שנית, הן רועשות, דבר המהווה מגבלה להצבתן באזורי מגורים או בקרבתם, ושלישית, הן גדולות ודורשות שטח רב".

"במחקר שלי, בשיתוף עם פרופ' טוביה מילוא ופרופ' אבי קריבוס מבית הספר להנדסה מכנית, אנו שואפים לפתח טורבינות רוח קטנות ושקטות, שיפעלו ביעילות במהירויות רוח נמוכות בהרבה מהמקובל היום. טכנולוגיה כזאת תגביר באופן ניכר את היכולת לרתום את אנרגיית הרוח לצורכי האדם," מוסיף פרופ' זייפרט.

"זה הרוח השובב"

צוות המחקר של פרופ' זייפרט במעבדת מדואו לאווירודינמיקה (Meadow Aerodynamics Laboratory) באוניברסיטת תל-אביב הוא מהמובילים בעולם בתחום הקרוי "בקרת זרימה פעילה", ועוסק בפיתוחו כבר למעלה מ־20 שנה. מדובר במערכת המשלבת חיישנים שמזהים את מצב זרימת הרוח סביב להבי הטורבינה, עם מפעילי זרימה - מתקנים זעירים אשר יוצרים, בתגובה למידע מהחיישנים, ערבולי אוויר מבוקרים בקרבת הלהב, ובכך מגדילים את רמת הנצילות האנרגטית. כך, באמצעות השקעה קטנה של אנרגיה במקום הנכון ובזמן הנכון, אפשר להפחית משמעותית את גורם האקראיות של הרוח, ולשפר את הביצועים והתפוקה הכוללים של טורבינת הרוח.

בעתיד תאפשר השיטה החדשנית להציב טורבינות רוח יעילות באתרים שבהם אנרגיית הרוח נחשבת היום בלתי כלכלית: במקומות שמהירות הרוח נמוכה או משתנה, באזורים שכיוונה ו/או עוצמתה אינם יציבים, ואף בערים ובקרבת יישובים. לכשיתגשם החזון הזה, יתרחבו באופן ניכר גם האפשרויות לניצול אנרגיית הרוח: נוכל לרתום אותה ישירות לייצור חשמל ולאגירת אנרגיה, לטעינת מצברים ולשאיבת מים, לשימושים מגוונים בבנייני מגורים ועוד.

אין ספק ששימוש באנרגיית הרוח הנקייה כחלופה ישימה ויעילה לדלקים המזהמים שמשמשים אותנו היום, יתרום תרומה חשובה לבריאות האדם והסביבה. עם זאת, לדברי פרופ' זייפרט, הפעלת הטכנולוגיה כרוכה בינתיים בעלויות גבוהות, ולכן דרושה לשם כך תמיכה של ממשלה בעלת מודעות ואחריות סביבתית - כפי שנעשה כבר היום בתחום אנרגיית השמש.

משאיות אווירודינמיות

לצד מחקריו על טורבינות הרוח, שואף פרופ' זייפרט לפתח יישומים נוספים לטכנולוגיה החדשנית של בקרת זרימה פעילה. בין היתר עוסקת קבוצתו במחקר ייחודי, שמטרתו להפחית את ההתנגדות האווירודינמית של משאיות גדולות הנעות בכבישים מהירים. חלקן האחורי של משאיות אלה אינו מעוצב בצורה אווירודינמית, אלא קטום בצורתו בשל דרישות מעשיות של טעינה ופריקה של סחורה. לכן הוא אינו מאפשר זרימת אוויר חלקה, ויוצר התנגדות גבוהה. כדי להקטין את ההתנגדות, שותלים המדענים מערכת בקרת זרימה פעילה בנגרר של המשאית, והשיטה החכמה מצליחה להגדיל את היעילות האנרגטית ולצמצם משמעותית את צריכת הדלק ואת זיהום האוויר הנובע ממנה. עבודת הפיתוח דורשת שילוב של מחקר בסיסי המתבצע במעבדה, עם מחקר יישומי-ניסויי דרך נקבות רוח (מבנה המשמש לעריכת ניסויים בזרימת אוויר) עם מודלים של משאית. התקווה היא שבתוך שנים אחדות יושלם המחקר בהצלחה, ויוביל למוצר שהשפעתו הסביבתית אדירה.

מתוך החוברת "מחליפים כוח" בעריכת דוברת האוניברסיטה >>