מנועים שקטים

במעבדה בטכניון מפתחים את המנוע של העתיד, שפועל באמצעות גלי קול. התוצאה אמורה להיות זולה, סביבתית ועמידה יותר

במלחמת ההתשה ביצעו ארבעה מטוסי מיראז' של חיל האוויר הישראלי גיחה בשמי קהיר, ובמהלכה חצו את מהירות הקול מעל ביתו של נשיא מצרים דאז, גמאל עבד אל-נאצר. הבום העל-קולי שנוצר עקב כך גרם לניפוץ חלונות הבית. בתגובה, נאצר פיטר את מפקד חיל האוויר המצרי.

האירוע במצרים הוא דוגמה לכך שקול הוא לא רק אמצעי תקשורת, בידור או מטרד (הרעש המעצבן מהשיפוצים של השכנים, למשל) – לגלי הקול יכול להיות כוח רב, ואת הכוח הזה ניתן לנצל. בפיתוח חדש, שהוצג לאחרונה ביום עיון של הפקולטה להנדסה אזרחית וסביבתית בטכניון, נרתם כוחם של גלי הקול על מנת להחליף את החלקים הנעים במנוע – דבר שעשוי להפוך את המנועים לזולים הרבה יותר, עמידים יותר, וגם ידידותיים יותר לסביבה.

הנעה קולית

מנוע הוא לא רק הדבר שמזיז לנו את הרכב ממקום למקום. בכל פעם שמבוצעת פעולה שמנוגדת למצב הטבעי, כמו לקרר חדר חם או להניע חפץ דומם, צריך להשקיע בכך אנרגיה – ומנוע הוא מכשיר שמסוגל לבצע את ההמרה הזאת של אנרגיה לעבודה.

פעולתם של כל המנועים דומה יחסית, ומתבססת על דחיסה והתפשטות של חומר, בדרך כלל גז. כמו כן, כל המנועים כוללים חלקים נעים. במנוע המכונית למשל, תערובת הדלק והאוויר נדחסת על ידי בוכנה ואז מוצתת, והפיצוץ שנוצר מניע את הבוכנה – מה שגורם לתהליך שמניע את גלגלי האוטו. בתחנות כוח, את הבוכנה מחליפה טורבינה, שהלהב שלה זז באמצעות קיטור שמיוצר על ידי שריפת חומרי בעירה – מה שגורם לתזוזתם של מגנטים וכך לייצור חשמל.

החלקים הנעים – הבוכנה, במקרה של מנוע הרכב, והטורבינה במקרה של תחנת הכוח – הם מרכיב בסיסי במנוע, אך הם דורשים תחזוקה מקיפה ויקרה ולאורך זמן הם נשחקים ומתבלים, ומחירם יקר: עלות הייצור שלהם היא בדרך המרכיב העיקרי בעלות המנוע. הפיתוח החדש שהוצג לאחרונה עשוי לשנות את המצב הזה. "אנחנו מתבססים על אותם העקרונות, רק שבמקום שהפעולה של הדחיסה וההתפשטות תבוצע על ידי רכיב מכני שנע, כמו בוכנה או טורבינה, אנחנו משתמשים בגל קול", מסביר פרופ'-משנה גיא רמון מהפקולטה להנדסה אזרחית וסביבתית בטכניון, שהחל לעבוד על הרעיון כבר בעבודת הדוקטורט שלו בהנחייתו של פרופ' יהודה עגנון.

רעש חזק פי עשרה ממנוע של מטוס

קול, כמו כל גל, הוא בעצם הפרעה שמתפשטת במרחב. כשההפרעה הזו מגיעה לאוזניים שלנו ומניעה את עור התוף שלנו, המוח יודע לתרגם אותה למידע שמיעתי בעל תוכן. אבל קול לא מגיע רק לאוזניים, הוא יכול לנוע בתווכים שונים, בין אם מצבם מוצק, נוזל או גז.

אנחנו לא מרגישים את מלוא עוצמת גלי הקול כשאנחנו מדברים, כי הקולות שלנו חלשים מכדי שיגרמו להשפעה משמעותית, אבל העוצמות שאיתן עובדים במעבדתו של רמון חזקות הרבה יותר. "אחד המנועים שיש לנו במעבדה מסוגל לייצר רעש שחזק פי עשרה מזה של מנוע של מטוס ג'מבו, והיד עוד נטויה", מספר רמון. מנוע של מטוס ג'מבו כשלעצמו מייצר רעש בעוצמה שגורמת לנזק בלתי הפיך לאוזן האנושית.

מנגנון הפעולה של הפטנט החדש שמפותח במעבדתו של רמון, המכונה "מנוע אקוסטי", מבוסס על הפרש טמפרטורות. באופן טבעי, חומר חם מתפשט וחומר קר מתכווץ. תופעה כזאת מתרחשת כשנוצר רעם, למשל: בעקבות היווצרות הברק, טמפרטורת האוויר עולה מאוד באופן פתאומי, והאוויר מתפשט. לאחר מכן, האוויר שהתפשט בא במגע עם האוויר הקר יותר שסובב אותו, ולכן מתכווץ שוב. ההתרחבות וההתכווצות גורמות באופן טבעי ליצירתו של גל קול – וזהו בעצם הרעם.

במנוע האקוסטי, הגז שחומם מתפשט, ואז מגיע לחלק קר יותר במנוע – ומתכווץ שוב. עם זאת, בשונה מברק, שהוא תופעה חולפת, ולכן הרעם מפסיק כעבור זמן קצר, במנועים האקוסטיים חום ממשיך להיות מוכנס למערכת – ולכן התהליך חוזר על עצמו שוב ושוב. יצירת גל הקול העוצמתי הזה היא תופעה פיזיקלית מוכרת, שנקראת אי-יציבות תרמו-אקוסטית.

בדרך כלל אי-יציבות תרמו-אקוסטית נחשבת לתופעה שלילית מאוד, היא יכולה להיגרם כתוצר לוואי במנועי סילון או במנועים רקטיים, והלחץ שגל הקול גורם לו עלול לגרום לפיצוצם. כאן, לעומת זאת, המדענים יוצרים את התופעה במכוון ובצורה מבוקרת, תוך שימוש במכשור שמסוגל לעמוד בה, ומנצלים אותה לצורך הפעלת המנוע.

לקרר את הבית באמצעות דוד השמש

החלפת החלקים הנעים היקרים בגלי קול תוכל לאפשר למנועים האקוסטיים להיות זולים יותר באופן משמעותי מאלה שקיימים כיום. עובדה זו לא תשפיע רק על הכיס שלנו, אלא יכולה להביא גם לחיסכון אנרגטי ברמת המשק: המנועים שקיימים כיום צורכים אנרגיה רבה כדי לפעול, שמתבטאת בהפקת חום בטמפרטורות גבוהות מאוד. טורבינת גז למשל, המשמשת בעיקר להנעת כלי טיס, פועלת על חום של כ-900-800 מעלות. לדברי רמון, כיום לא משתלם כלכלית להשתמש בטמפרטורות נמוכות לצורך הנעת מנועים – אבל עם טכנולוגיה זולה כמו זו שמפותחת במעבדתו, לא תהיה סיבה שלא לעשות זאת. רמון וצוותו הצליחו ליצור את הפרש הטמפרטורות הדרוש לפעולת המנוע ויצירת גל הקול העוצמתי גם בטמפרטורות נמוכות יחסית. "מדובר בטמפרטורות של כ-90-80 מעלות, שאותן אפשר להשיג מדוד שמש פשוט שמחמם מים למקלחת או מבישול", הוא אומר.

אפשרות כזאת תהיה שימושית בעיקר בימים קיציים מאוד, שבהם החום מצוי בשפע באופן טבעי. "בימי הקיץ החמים במיוחד, הצריכה חורגת בהרבה מהממוצע השנתי", אומר רמון. "נוצר מצב שבו מדינות משקיעות המון כסף בתשתית ייצור חשמל שלא נמצאת בשימוש רוב הזמן, אלא רק אמורה לעבוד בזמן השיאים האלה. בישראל זה בולט במיוחד". רעיון כזה יצמצם את הצורך בתשתיות כאלה, כי הוא יאפשר ייצור מכשירים שלא יסתמכו על רשת החשמל המרכזית, אלא יופעלו באמצעות חום שכבר יש לנו בבית, למשל מהבישול או מדוד השמש.

בהתאם לכך, הכיוון העיקרי של המחקר כיום הוא תשתיות קירור, כמו מזגנים ומקררים, לבתים פרטיים או לבנייני דירות. בתשתיות כאלה, יחליף גל הקול שיוצר המנוע את המדחס: במזגן או במקרר, המדחס דוחס את הגז שבמזגן, וכך גורם לו להתחמם. כשהחומר הדחוס יוצא מן המדחס, הוא מתקרר שוב – וכך מקרר גם את סביבתו: אם זה החדר או פנים המקרר. במנוע האקוסטי, פעולת הדחיסה הזו מבוצעת על ידי גל הקול.

כמובן שחיסכון בחשמל שבא מתחנות הכוח, שמיוצר ברובו מדלקי מאובנים, יוביל גם להפחתת הפגיעה בסביבה שמתרחשת עקב שריפת דלקים אלה. יתרון סביבתי אחר של המנוע האקוסטי, כשמשתמשים בו במערכות קירור, הוא שלא נעשה בו שימוש בחומרים שמזיקים לסביבה. מקררים ומזגנים משתמשים במסגרת פעולתם בגזים: גז הפריאון, שידוע כמזיק לשכבת האוזון (בעיקר במכשירים ישנים יותר ובמדינות מתפתחות), או גזי החממה ממשפחת ה-HFC, שלא פוגעים באוזון אבל תורמים לאפקט החממה. "אנחנו משתמשים רק בחומרים שנמצאים בסביבה באופן טבעי או שלא יזיקו לסביבה אם ייפלטו אליה", אומר רמון.

לדברי רמון, ניתן יהיה להשתמש בתשתית האקוסטית גם במקומות שבהם אין גישה לחשמל בדרך כלל, כמו יישובים מרוחקים, או מדינות מתפתחות שלא נהנות מתשתית החשמל שכה ברורה לנו מאליה. "אלה אנשים שלא יכולים לאכסן אוכל או תרופות בקירור, אין להם מנורה קטנה שתאיר את הבקתה ובטח שאין להם מיזוג אוויר", אומר רמון.

בנוסף לשימוש בגל הקול לטכנולוגיות קירור, רמון וצוותו בודקים גם שימושים נוספים, כמו המרת גל הקול ישירות לחשמל. "זה בעצם מה שמיקרופון עושה: הופך קול לזרם חשמלי, וכך גם ניתן לקחת את גל הקול העוצמתי שנוצר במנוע ולהפוך אותו לזרם חשמלי", אומר רמון.

ממדע בדיוני למציאות?

כיום, פיתוח המנוע האקוסטי מתקדם במרץ: במעבדתו של רמון כבר קיימים דגמים פועלים של המנועים, פורסמו ויתפרסמו מאמרים בנושא וההמצאה נרשמה כפטנט. מעבר לכך, רמון וצוותו נמצאים במגעים עם משקיעים להפיכת הפיתוח למוצר מסחרי. עם זאת, הוא מדגיש שעדיין יש צורך בעבודה רבה. "בהיבט המדעי, התקדמנו די הרבה בהבנת המנגנונים והפיזיקה הבסיסית, אבל יש עוד סימני שאלה", הוא אומר. "אני חושב שכשנפתור אותם יהיה לנו קל יותר להתקדם גם במישור ההנדסי".

רמון מקווה שברגע שתושג ההתקדמות הזו, גם התעשייה תשקיע יותר משאבים בפיתוח הטכנולוגיה, בדומה להשקעה הרבה בפיתוח ושכלול המכשירים הטכנולוגיים השונים שסביבנו. "אם זה יהיה טוב כמו שאני חושב שזה יכול להיות, יותר ויותר שעות הנדסה יושקעו בפיתוח וייקחו את הנושא רחוק", הוא אומר. "אנחנו צריכים לתת להם את נקודת ההתחלה".

כמובן, רמון מודע לכך שהרעיון שלו מאוד יוצא דופן. "הרעיון הזה נשמע בהתחלה משוגע, קורה הרבה שאנשים לא מאמינים לי שזה יכול לקרות עד שאני מראה להם את המנועים אצלנו במעבדה. זה נשמע קצת כמו מדע בדיוני, אבל זה בהחלט אפשרי", הוא מסכם.

בעקבות הכתבה ב"זווית" הסיפור פורסם גם ב-מאקו