מחקר חדש חושף לראשונה את תהליך ההשמנה ברמת תא השומן ורקמת השומן, ומראה כיצד אורח חיים סטטי מעודד עודף משקל בנפרד מהרגלי התזונה. את המחקר, שממצאיו מתפרסמים היום בכתב העת היוקרתי Biophysical journal, ערכו פרופ' עמית גפן, ד"ר נתן שקד והדוקטורנטית נעמה שהם מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית בפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל-אביב, בשיתוף פעולה עם פרופ' דפנה בניהו מהמחלקה לביולוגיה תאית והתפתחותית בבית הספר לרפואה ע"ש סאקלר באוניברסיטת תל-אביב.

ההנדסה של ההשמנה

"לפני כשנתיים פרופ' בניהו ואני קיבלנו מענק מהקרן הלאומית למדע על מנת לשתף פעולה בחקר ההנדסה של ההשמנה", מספר פרופ' גפן. "מצאנו שאם מפעילים עומס מכני סטטי על תאי שומן - הם מייצרים עד 50% יותר שומן. זאת היתה הפעם הראשונה שהוכח הקשר בין השמנה לאורח חיים סטטי, בלי כל קשר לתזונה. מי שיושב כל היום על הישבן, כלומר מפעיל לחץ מכני סטטי על רקמת השומן שלו, ישמין יותר מאדם שמפעיל לחץ מכני דינמי על רקמות השומן - וזה בנפרד מכמות ההמבורגרים ששניהם אוכלים. רקמת השומן מגיבה לעומסים מכניים הפוך מרקמות העצם והשריר: בשעה שרקמות עצם ושריר מתנוונות תחת עומס מכני סטטי, רקמות שומן דווקא צוברות מסה".

במחקרם החדש ביקשו החוקרים לבדוק כיצד תא השומן משתנה מבחינה מכנית כאשר הוא צובר שומן. "תא השומן מייצר טיפות שומן (Lipid Droplets)", מסביר פרופ' גפן. "הטיפות הללו מתמזגות זו בזו לידי טיפות גדולות יותר ויותר, עד שכל החלל התאי מתמלא בטיפת שומן אחד גדולה. הלחץ הפנימי הזה מאלץ את התא, ובסופו של דבר את הרקמה כולה, להתרחב, כלומר להשמין. אבל אנחנו חשדנו שיש תכונות מכניות נוספות, מלבד ההתרחבות, שתורמות להשמנה".

כדי לבחון את המכניקה של תהליך ההשמנה, פרופ' גפן ועמיתיו השתמשו במיקרוסקופ כוח אטומי, המסוגל למדוד התנגדות מכנית ברמה התא וברמת אברוני התא. "הוכחנו שטיפות השומן משפיעות לא רק על גודל התא, אלא גם על קשיות התא", אומר פרופ' גפן. "אם אני תא שומן ואני מתרחב ומתקשה, אז אני דוחק את התאים שלידי באופן של העמסה מכנית סטטית. התוצאה היא כדור שלג או מעגל קסמים: תא שומן שמייצר שומן דוחק מכנית בתאי השומן האחרים גם כן לייצר שומן באופן מואץ. זו למעשה המקבילה התאית לישיבה ממושכת על כיסא או לשכיבה ממושכת על המיטה. מהרמה התאית ועד לרמה הגופנית, הצלחנו להראות איך אורח חיים סטטי מעודד השמנה - בנפרד מהתזונה, מהגנטיקה ומשאר הגורמים המשפיעים על משקל הגוף".

לפי ארגון הבריאות העולמי, כחצי מיליארד בני אדם סובלים מעודף משקל, והוא אחד מחמשת גורמי התחלואה העיקריים בעולם. "אם נדע איך לערוך מניפולציות מכניות לתאים הללו, נוכל להפחית שומן מאנשים הסובלים מעודף משקל ולהוסיף שומן לאנשים שסובלים מתת משקל בדרכים אחרות מלבד משטרי תזונה. אפשר גם לחשוב על יישומים נוספים, משתלים טבעיים לשדיים ועד לגירוי מכני לרקמות השומן של אסטרונאוטים בשהיות ארוכות בחלל. בימים אלו אנו מפתחים דגמים ניסויים וממוחשבים נוספים על מנת לבחון תאי שומן תחת משטרים שונים של העמסה מכנית".

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 >>

לעולם בעקבות השמש

האם נוכל בעתיד להפיק חשמל בקנה מידה ארצי באמצעות אנרגיית השמש, ביעילות גבוהה ובמחיר נמוך מאלה של תחנות הכוח הנוכחיות? "אנרגיית השמש היא אנרגיה מתחדשת המצויה בשפע, אך היא תהפוך למשאב שימושי וכלכלי רק אם נצליח לשפר את יעילות ההמרה שלה לחשמל", מסביר פרופ' אברהם קריבוס, מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן, העוסק בפיתוח רכיבים לתחנות כוח סולאריות כבר למעלה מ־20 שנה. "יעילות המרת האנרגיה האצורה בדלקים המתכלים שבתחנות הכוח המסורתיות הינה בין 40% ל־60%, בעוד שתחנות הכוח הסולאריות הקיימות כיום מצליחות להניב חשמל ביעילות המרה שאינה עולה על 20%. זו הסיבה העיקרית לכך שעד כה הוקמו רק מעט תחנות כאלה ברחבי העולם".

לדבריו, כל תחנות הכוח התרמיות הקיימות היום, בין אם הן מבוססות על דלק או על אנרגיית השמש, פועלות בצורה דומה: האנרגיה מושקעת בחימום קיטור או אוויר לטמפרטורה של מאות מעלות צלסיוס. האוויר או הקיטור המחומם שואף להתפשט במרחב, וכוח ההתפשטות מנוצל לדחיפת כפות הטורבינה. הטורבינה בתורה מסובבת מחולל, שממיר אנרגיה מכאנית לאנרגיה חשמלית.

מדד ניצולת האנרגיה בתהליך, הקרוי "יעילות ההמרה", הוא היחס בין כמות האנרגיה שהושקעה במקור לבין האנרגיה שהפכה בסוף התהליך לחשמל. יעילות ההמרה גדלה ככל שהקיטור/אוויר מחומם לטמפרטורה גבוהה יותר, ולכן האתגר העומד בפני מפתחי תחנות הכוח הסולאריות הוא להגיע לטמפרטורות זהות לאלה המתאפשרות על־ידי שריפת פחם, נפט וגז - באמצעות אנרגיית השמש בלבד. ואכן, דבר זה מתאפשר כבר היום בעזרת טכנולוגיה חדשנית המכונה "מגדל השמש".

מגדל השמש

טכנולוגיית מגדל השמש מבוססת על מראות, שמרכזות את קרינת השמש למוקד הממוקם בראש מגדל ומשמש לחימום מים או אוויר. יעילות השיטה עשויה להשתוות לזו של תחנות מבוססות דלקים, והיא עולה על כל תחנות הכוח הסולאריות שהוקמו עד היום, המתבססות על חימום קיטור לטמפרטורה נמוכה יחסית.

צוות המחקר של פרופ' קריבוס שוקד על שיפורה של טכנולוגיית מגדל השמש על־ידי שכלול המבנה של הרכיב הנמצא במוקד הקרינה, שתפקידו לקלוט את קרינת השמש ולחמם את האוויר. עיצוב נכון של רכיב זה ימזער את הפסדי האנרגיה ויאפשר את חימום האוויר לטמפרטורה הנדרשת. כדי לייעל את הרכיב, בוחנים החוקרים חומרים ועיצובים שונים במודל ממוחשב. עיצובים נבחרים ייבדקו לאחר מכן במעבדה. האפשרות לחמם אוויר במוקד המגדל לטמפרטורה של יותר מ־1,000 מעלות צלסיוס עשויה להניב חשמל מאור השמש ביעילות המרה של יותר מ־30%.

פיתוחים נוספים של פרופ' קריבוס וצוותו כוללים: שיטה לניצול יעיל בשעות הלילה של חום סולארי שנאגר במהלך היום, וכן טכנולוגיה המשתמשת בפירוק פסולת ממקור אורגני באמצעות חום השמש, כדי לייצר בו־זמנית חשמל ודלקים כגון גז המימן - תהליך שיעילותו מתקרבת ל־50%.

מתוך החוברת "מחליפים כוח" בעריכת דוברת האוניברסיטה >>