חלומו של האלכימאי

האלכימאים חלמו להפוך עופרת לזהב. הייתה לכך סיבה כלכלית - כמות הזהב בעולם קטנה ומחירו גבוה. עד היום נחצבו ברחבי העולם פחות מ-170,000 טונות של זהב, וזו כמות קטנה מאוד יחסית למחצבים אחרים. צפיפות הזהב היא 19.3 גרם לסמ"ק, כלומר הנפח של כל כמות הזהב שהופקה מאז ומעולם עומד על מעט יותר מ-8,800 מ"ק. זהו נפח של קובייה שאורך המקצוע (צלע) שלה הוא 20.65 מטר, משהו כמו אולם ספורט טיפוסי בבית ספר. במילים אחרות: כל הזהב שנחצב מאז ומעולם יכול למלא רק אולם קטן אחד!

גוש זהב במשקל של כמעט 5 ק"ג שהתגלה בקליפורניה. מקור: ויקישיתוף

קשה להעריך כמה זהב טמון עדיין באדמה, אבל גם אם שיטות מציאת הזהב ישתפרו ויעילות הפקתו תגדל, סביר להניח שהעתודות ידלדלו בחלוף הזמן ובסופו של דבר הזהב ייגמר. בכל הנוגע לעתודות הזהב על פני כדור הארץ יש חוסר ודאות, אך מחיר הפקתו כבר עלה באופן ניכר בעשר השנים האחרונות מסיבה אחרת. מניעת זיהום סביבתי עולה כסף והלחץ על יצרני הזהב כבר גרם לעלייה ניכרת בעלות ההפקה. עלות ההפקה הממוצעת עלתה מ-281 דולר לאונקיית טרוי (31.1 גרם) בשנת 2001 ל-655 דולר לאונקיית טרוי בסוף 2009.

מחפש זהב. מקור: Alan Souter

אם תימצא דרך לייצר זהב באופן מלאכותי, תהיה לכך חשיבות כלכלית רבה, לא רק בגלל היותו חומר גלם מבוקש לתכשיטים, אלא גם משום שלזהב יש שימושים רבים במחקר ובתעשייה.

אז מה לגבי החלום הישן של האלכימאים להפוך מתכת זולה לזהב? היום ברור שלא ניתן לייצר זהב ממתכת אחרת בתהליכים כימיים, אבל אולי בכל זאת האלכימאים לא טעו לגמרי.

מרים היהודיה בת המאה השלישית לספירה נמנתה עם האלכימאים הראשונים. מיוחסת לה המצאת אמבט מרים המשמש במחקר, בתעשייה וגם באומנות הבישול. ציור מהמאה ה-17. מקור: Royal Society of Chemistry

אטום של יסוד בנוי מגרעין המכיל פרוטונים ונייטרונים ומאלקטרונים החגים סביב הגרעין. תהליכים כימיים מתרחשים ברמה האלקטרונית, כלומר מעורבת בהם החלפה של אלקטרונים, והקשרים הכימיים בין היסודות נובעים מאינטראקציה של האלקטרונים החיצוניים. תגובה כימית לא יכולה לשנות את זהות היסודות המגיבים, ולכן היא לא יכולה לשמש כאמצעי לייצור זהב מחומר שלא מכיל זהב כלל.

לעומת זאת, תהליכים גרעיניים המתרחשים בגרעיני האטומים יכולים לגרום לשינוי של היסוד עצמו, משום שזהות היסוד נקבעת על פי מספר הפרוטונים בגרעין. תהליכים אלו, שבהם מעורבת בדרך כלל אנרגיה גבוהה יותר, יכולים לגרום לשינוי במספר הפרוטונים והנייטרונים בגרעין ואפילו לשינוי בזהות מרכיבי הגרעין - פרוטונים יכולים להפוך לנייטרונים ונייטרונים יכולים להפוך לפרוטונים. תוך כדי כך עשויה להיפלט אנרגיה רבה בצורת קרינה גרעינית על סוגיה השונים.

אם כך, תהליכים גרעיניים יכולים להפוך יסודות ליסודות אחרים. אז כיצד ניתן לייצר בפועל זהב במעבדה?
שאלה זו קשורה לשאלה מעניינת אחרת:
כיצד נוצר הזהב שנמצא על פני כדור הארץ?

מקור האנרגיה של הכוכבים נובע מתהליכי היתוך גרעיני. בהיתוך גרעיני שני גרעינים קלים מתאחדים ויוצרים גרעין כבד יותר. בתהליך הזה משתחררת אנרגיה שמקורה בהפרש המסות בין הגרעינים המקוריים לגרעין הנוצר, והפרש המסות שקול לאנרגיה לפי הנוסחה של איינשטיין .

כל זה טוב ויפה, אבל זהב לא יכול להיווצר בתהליכי היתוך גרעיני רגילים שמתרחשים בליבות הכוכבים, משום ששחרור אנרגיה בהיתוך גרעיני מתקיים כל עוד התוצר איננו כבד יותר מברזל. עובדה זו נובעת מכך שהפרוטונים והנייטרונים בגרעין הברזל קשורים חזק זה לזה, מה שגורם לגרעין הברזל להיות קל באופן יחסי למספר הפרוטונים והנייטרונים המרכיבים אותו. על מנת ליצור יסודות כבדים יותר יש להשקיע כמות גדולה של אנרגיה, ותהליך כזה לא יכול להתרחש באופן ספונטני במהלך חייו של כוכב.

כשכוכב בגודל של השמש שלנו מכלה את מלאי הדלק הגרעיני שלו הוא משיל את המעטפת החיצונית ומסיים את חייו בתור ננס לבן קטן ודחוס. כוכבים מסיביים יותר עשויים לעבור פיצוץ סופרנובה בסוף חייהם ולהפוך לכוכבי נייטרונים או לחורים שחורים. בפיצוץ כזה משתחררת אנרגיה רבה מאוד בבת אחת ותהליכים גרעיניים שדורשים כמות גדולה של אנרגיה עשויים להתרחש.

התהליך המדויק של יצירת זהב ויסודות כבדים אחרים עדיין לא ברור די צורכו. נראה שהוא קשור ללכידת נייטרונים על ידי גרעינים כבדים. נייטרונים חופשיים בעלי אנרגיה גבוהה פוגעים בגרעינים כבדים ויוצרים איזוטופים של יסודות כבדים יותר. תוך זמן קצר האיזוטופים הללו עוברים דעיכה רדיואקטיבית עד שהם הופכים לאיזוטופים יציבים. בתהליך כזה המכונה r-process, או בתהליכים גרעיניים דומים, נוצרו כנראה כל היסודות הכבדים. מה שאומר שמערכת השמש שלנו היא בוודאות דור שני לפחות של כוכבים, ומקורו של החומר המרכיב אותה הגיע מכוכב מסיבי מאוד שעבר סופרנובה.

בשיטה דומה ניתן לייצר זהב על פני כדור הארץ. לשם כך דרוש מתקן המיועד לניסויים גרעיניים - כור גרעיני או מאיץ חלקיקים. ניסויים כאלו אכן נערכו וב-1941 נוצרו לראשונה באופן מלאכותי איזוטופים של זהב על ידי הפגזת כספית בנייטרונים, אלא שאלו היו איזוטופים רדיואקטיביים קצרי חיים שדעכו חזרה לכספית תוך מספר ימים. יצירת זהב יציב היא משימה קשה יותר. נטען שגלן סיבורג ועמיתיו הצליחו לייצר זהב יציב מביסמוט ב-1980 במאיץ חלקיקים אמריקאי, וייתכן שהרוסים הקדימו אותו בכמה שנים ועשו זאת כבר ב-1972.

מאיץ החלקיקים ב-Lawrence Berkeley National Laboratory שבו הצליח גלן סיבורג לייצר זהב מביסמוט ב-1980.  מקור: LBNL Image Library

בכל אופן, השיטה הזו לייצור זהב יקרה מאוד ורחוקה מלהיות משתלמת מבחינה כלכלית. עם זאת, ייתכן שיגיע היום בו מחיר חציבת הזהב יעלה באופן ניכר, ואילו עלות הפקתו בכורים גרעיניים ובמאיצי חלקיקים תרד, ואז נוכל להגשים את חלומם של האלכימאים לייצר זהב ממתכות זולות באופן שוטף.

קסם הוויסקי והמים

בהמשך לרשימת הסרטונים המזויפים האהובים עלי, הנה עוד משהו נחמד. בסרטון הבא מוזגים וויסקי לכוסית אחת ומים לכוסית השנייה וגורמים לנוזלים להחליף מקום. הרעיון הוא שהמים צפופים יותר מוויסקי, שהוא בעיקרו תערובת של אלכוהול (אתנול) ומים, ובהתאם לעקרון הציפה של ארכימדס המים יורדים מטה לכוס התחתונה ואילו הוויסקי עולה לכוס העליונה.

במבט ראשון הסרטון נראה לי מזויף משום שאתנול ומים מסוגלים להתערבב, ולא נראה הגיוני שהם יחליפו מקום בצורה כזו מושלמת. חשבתי שאולי מדובר בנוזלים אחרים. ניסיתי לשחזר את הניסוי עם מים ושמן, אבל זה לא עבד כל כך טוב. מתח הפנים הגבוה של המים מנע מהם לרדת דרך החריץ הצר בין הכוס למחיצה. הוספתי למים קצת אתנול במטרה להקטין את מתח הפנים ואכן הצלחתי לגרום לנוזלים להחליף מקום. אבל עדיין משהו הפריע לי, כי הזרימה של השמן לא הייתה כל כך חלקה כמו בסרטון.

אחרי כמה שעות של ניסיונות החלטתי לבדוק את מה שהייתי צריך לעשות מראש - לנסות לשחזר את הניסוי עם מים ועם וויסקי. הניסוי היה נהדר. ראשית, הזרם העדין של המים בוויסקי וזרם הוויסקי במים היו יפהפיים. ושנית, התוצאות הסופיות הפתיעו אותי - מידת הערבוב בין המים לוויסקי הייתה קטנה ממה שצפיתי, וכשטעמתי את המים אחרי הניסוי היה להם טעם חלש מאוד של ויסקי והצבע שלהם נשאר שקוף.

הגעתי למסקנה שהחריץ הצר גורם להיווצרותם של זרמי מים וויסקי די קבועים ומונע ערבוב מהיר בין המים לוויסקי. אחרי 10 דקות הניסוי כמעט הושלם כשרוב המים אכן ירדו לכוס התחתונה ורוב הוויסקי עלה מעלה. אבל רק כמעט - בחלק העליון של הכוס התחתונה נשאר וויסקי מעורבב עם מים ובחלק התחתון של הכוס העליונה נשארו מים מעורבבים עם וויסקי. ההפרדה לא הייתה מושלמת כמו בסרטון. חזרתי למחשב.

צפייה מדוקדקת יותר בסרטון מגלה את הטריק. הם אכן השתמשו במים ובוויסקי והגיעו למצב שאותו תיארתי, ואז עברו לזווית צילום אחרת שבה לא רואים את הוויסקי שנשאר בכוס התחתונה ואת המים שנשארו בכוס העליונה. השוט האחרון של הסרטון אינו המשך ישיר של הניסוי. למענו מזגו מחדש מים לכוסית הירוקה וויסקי לכוסית השקופה. 

לסרטון התפרסמו עד היום 18,293 תגובות. ברפרוף מהיר לא מצאתי תגובה שמתארת את מה שגיליתי, אז פרסמתי את ההשערה שלי כתגובה מספר 18,294...

לסיום, שלוש תמונות מהניסוי שלי. הראשונה מראה את שתי הכוסיות כמה שניות אחרי תחילת הניסוי כשרוב המים עדיין בכוסית העליונה, בתמונה השנייה כחצי מהמים החליפו מקום עם הוויסקי והשלישית צולמה לאחר הניסוי. בתמונה השלישית רואים שרוב המים ירדו לכוסית התחתונה (השמאלית בתמונה) ורוב הוויסקי עלה לכוסית העליונה, ובכל זאת מעט וויסקי נותר בכוסית התחתונה בניגוד למה שמראים יוצרי הסרטון.

התגליות הפיזיקליות של המאה ה-21

בפוסט הקודם סיפרתי על המאמר שכתבתי בזמנו אודות התגליות הגדולות בכל הזמנים בפיזיקה ובאסטרונומיה. נזכרתי בו כשמצאתי מסמך במחשב אודות גילויים עתידיים. לא זכורה לי הסיבה המדויקת שלשמה הכנתי אותו, אבל לפי מצבו מובן לי שהוא נשאר בגדר טיוטה ראשונית. הנה המסמך לאחר שהשקעתי בו עוד כמה שעות היום וביצעתי הרחבות קלות. אין ספק שכל אחד מהנושאים המופיעים בו ראוי להרחבה משמעותית יותר. בינתיים אני מפרסם אותו במצב גולמי למדי, אבל מבטיח להרחיב ולפרט בעתיד. אם כן, זו רשימת התחזיות שלי לגבי גילויים בפיזיקה ובאסטרונומיה (וגם קצת טכנולוגיה) במאה ה-21, לא לפי סדר חשיבות:

1. מציאת הסבר אינטואיטיבי לעקרונות תורת הקוונטים. ניסויים רבים מאוד מאששים את תורת הקוונטים וברור לנו שזו תאוריה מדויקת במיוחד. עם זאת, שלא כמו בענפי פיזיקה אחרים, עקרונות תורת הקוונטים קשים להבנה. כדוגמה ניתן להביא את בעיית המדידה - בעת ביצוע מדידה מערכת יכולה לעבור ממצב המהווה סכום של מצבים שונים (סופרפוזיציה) למצב בודד המתאים לערך הנמדד (מצב עצמי המתאים לערך עצמי). אומרים שבתהליך המדידה מתרחשת קריסה של פונקציית הגל של המערכת, אך מנגנון הקריסה וחלקו של המודד בתהליך זה אינם ניתנים להבנה אינטואיטיבית בכלים שיש לנו היום. אני מאמין שהבנה אינטואיטיבית שכזו תאפשר את הבנת פעולתה של תורת הקוונטים גם במערכות גדולות שמכילות מספר גדול של אטומים או מולקולות, ובאותה הזדמנות נקבל פתרון לפרדוקס החתול של שרדינגר.

2. פיתוח מחשבים קוונטיים גדולים. המחשבים הדיגיטליים הרגילים, המוכרים לכולנו, מבוססים על ביטים, כלומר יחידת הזיכרון הבסיסית יכולה להימצא באחד משני מצבים - 0 או 1. מחשב קוונטי מבוסס על קיוביטים (ביטים קוונטיים) שכל אחד מהם יכול להימצא במצב 0 או 1 וגם בסופרפוזיציה של שני המצבים הללו. התוצאה היא שאוסף של n קיוביטים נמצא ב-2 בחזקת n מצבים בו-זמנית, וניתן לבצע פעולות על כל המצבים הללו במקביל. הדבר יאפשר ייצור של מחשבים מהירים מאוד שגודלם הפיזי קטן. מחשבים קוונטיים קטנים, שיש בהם מספר בודד של קיוביטים כבר יוצרו, אבל ייקח עוד זמן עד שיפותח מחשב קוונטי שיחליף את המחשב הביתי ואף יעלה עליו. זו תהיה קפיצת מדרגה בכל הנוגע ליכולת החישוב ולמהירות החישוב, מה שישמח במיוחד את אנשי התוכנה, החוקרים ויותר מכולם את ה...גיימרים.

3. פיתוחים מגוונים בתחום החומרים. למשל, ייצור חלליות מחומרים קלים, חזקים ובעלי יכולת לחסום קרינה, שיהפכו את המסע בחלל למשימה בטוחה, פשוטה ויומיומית. אני סבור שהפיתוחים בתחום החומרים ישפיעו על חיינו כמעט בכל אספקט, וכך למשל כבר בעשור הקרוב נראה טלפונים ניידים בעלי צורה משתנה או שנקנה בגדים שניתן לשנות בהם את המידות והצבעים בהתאם לצורך. גם מטא-חומרים מהווים כר פורה לפיתוחים עתידיים, ולא רחוק היום שבו אפשר יהיה לקנות לפורים גלימת הארי פוטר ההופכת את הלובש אותה לבלתי נראה.

4. הבנת מנגנון הפעולה של מוליכי-על הפועלים בטמפרטורות גבוהות וייצור מוליכי-על הפועלים בטמפרטורות קרובות ל-0 מעלות צלזיוס. מוליכי-על הם חומרים שמשנים באופן חד את תכונותיהם בטמפרטורות נמוכות. ההתנגדות החשמלית שלהם אפסית ויש להם עוד כמה תכונות חשמליות ומגנטיות ייחודיות. מרבית מוליכי-העל פועלים בטמפ' קרובות לאפס המוחלט (273.15- מעלות צלזיוס), ואת אופן פעולתם אנו יודעים להסביר באמצעות תאוריה הקרויה BCS על שם מגליה. בנוסף להם התגלו מוליכי-על שפועלים בטמפ' של עשרות מעלות מעל האפס המוחלט, אולם אופן פעולתם לא מובן בשלב זה. לדעתי, הבנה כזו היא משימה תאורטית אפשרית, והיא תסלול את הדרך לייצור של מוליכי-על בטמפ' הרבה יותר גבוהות, קרוב ל-0 מעלות צלזיוס. מוליכי-על כאלו יוכלו לשמש למגוון מטרות, כמו למשל בניית רשת חשמל כלל-עולמית שאין בה איבודי אנרגיה. אני הולך להשתמש בהם למטרה חשובה עוד יותר: הדגמות פיזיקליות משעשעות...

5. הפיכת היתוך גרעיני לשיטה מרכזית לייצור אנרגיה. כ-85% מהאנרגיה המיוצרת כיום מבוססת על שריפת דלקי מאובנים. לשיטה זו מספר חסרונות: השריפה גורמת לזיהום קרקע ואוויר (מלבד גז טבעי), נפלט פחמן דו-חמצני שעלול להגביר את אפקט החממה, המשאבים ייגמרו יום אחד ועד אז אנו נהיה תלויים במדינות עשירות במחצבי דלקי מאובנים. בהקשר זה, רצוי שהשיטות החלופיות שיכנסו לשימוש יהיו נקיות, מתחדשות וזולות. אנרגיה גרעינית המבוססת על ביקוע של גרעינים כבדים, כמו אורניום, היא פתרון חלקי, משום שהיא מותירה תוצרי לוואי רדיואקטיביים. אני מאמין שאנרגיית רוח, אנרגיה סולארית, אנרגיה הידרואלקטרית, אנרגיה כחולה ושיטות נקיות נוספות יתפסו מקום רב יותר בשוק האנרגיה של המאה ה-21.

אבל ההבטחה האמיתית היא פיתוח כורי היתוך גרעיני שמאפשרים יצירת אנרגיה כשגרעינים של אטומים קלים (למשל איזוטופים של מימן) נפגשים ומתאחדים לגרעין כבד יותר. תהליך כזה מתרחש בשמש ובכוכבים אחרים. על מנת שהגרעינים יתקרבו למרחק מספיק קטן זה מזה, כך שיתרחש היתוך, יש צורך להתגבר על הדחייה החשמלית ביניהם (הם טעונים במטען חיובי). לשם כך יש להקנות להם מהירות גבוהה, כלומר להשתמש במתקן שבו הגרעינים מחוממים לטמפ' גבוהה מאוד. עד היום לא הצליחו לבנות כור היתוך שמפיק יותר חשמל ממה שמשקיעים בו, אבל בעשורים הקרובים המצב עשוי להשתנות. הכור הניסיוני ITER צפוי להיות השלב הראשון בדרך לייצור מסחרי של אנרגיית היתוך גרעיני. אבל זה ייקח עוד זמן, והחבר'ה הרציניים ולמודי ההבטחות בתחום זה משערים שלא נראה כורי היתוך מסחריים לפני 2050.

המשך ברשומה הבאה...

אוקסידלק - Oxyfuel

85% מהאנרגיה בעולם מופקת על ידי שריפת דלקי מאובנים - בעיקר נפט, פחם וגז טבעי - ויש עם זה כמה בעיות. ראשית, לשריפת נפט ופחם יש תוצרי לוואי מזהמים שגורמים לזיהום אוויר וקרקע. מהבחינה הזו, גז טבעי נקי לחלוטין, משום שתוצרי הלוואי היחידים של שריפתו הם פחמן דו-חמצני ואדי מים. פחמן דו-חמצני ואדי מים, הנפלטים בשריפה של כל חומר אורגני, ובפרט דלקי מאובנים, אינם יוצרים זיהום אוויר, אך הם מהווים גזי חממה מרכזיים המשפיעים על עוצמת אפקט החממה. עליית ריכוז הפחמן הדו-חמצני באוויר נחשבת כגורם עיקרי להתחממות פני כדור הארץ במהלך המאה ה-20. בנוסף לכך, דלקי המאובנים הם משאב מתכלה ועל כן התבססות כמעט מוחלטת עליהם עלולה ליצור בעיה כשהמלאי שלהם יקטן. ובאותו הקשר - התלות בהם כמקור דלק עיקרי יוצרת תלות במדינות שמספקות אותם, ותלות אנרגטית כזו היא מצב לא בריא למדינה, במיוחד למדינה כמו ישראל שהיא מבודדת למדי.


אני משער שבמהלך המאה ה-21 יגבר כוחם של פתרונות אנרגיה חלופית, כמו אנרגיה הידרואלקטרית, אנרגיית רוח ואנרגיית שמש, אבל צריך לזכור שלדלקים מאובנים יש שני יתרונות עיקריים שעדיין ישאירו אותם בתמונה, גם אם חלקם היחסי יקטן. היתרון הראשון הוא צפיפות אנרגיה גדולה, או במילים אחרות - תחנות הכוח ששורפות דלקי מאובנים קטנות יחסית. היתרון השני הוא מחיר נמוך יחסית לשיטות אחרות, אבל ייתכן שהמצב ישתנה, או לפחות יתרחשו תנודות גדולות במחיר. ראינו את זה במחירי הנפט במהלך העשור הראשון של המאה ה-21.

מצד שני, הלחץ הפוליטי שנוצר באירופה ובמקומות נוספים, כולל ארצות הברית, יביא לחיפוש פתרונות ידידותיים יותר לסביבה, גם בכל הקשור לשריפת דלקי מאובנים. אוקסידלק הוא רעיון כזה, ויישום רחב שלו ברחבי העולם יכול להקטין באופן ניכר את זיהום האוויר. חלק גדול מהמזהמים הנפלטים כתוצאה מבעירת דלקי מאובנים מכילים חנקן. החנקן נמצא באוויר בכמות גדולה (כ-78% מנפח האוויר), אבל הוא לא דרוש לבעירה. לכן, שימוש בחמצן בלבד בתהליך שריפת הדלק יכול להוריד את זיהום האוויר לרמה נמוכה. בשיטת אוקסידלק מפרידים את האוויר לחנקן וחמצן (החמצן מהווה כ-21% מנפח האוויר), ומשתמשים רק בחמצן בתהליך הבעירה. התוצרים שנפלטים לאוויר הם בעיקר אדי מים ופחמן דו-חמצני, וכאמור, שני אלו אינם מהווים זיהום אוויר. הבעיה העיקרית היא שתהליך ההפרדה בין חנקן לחמצן הוא בעצמו תהליך זולל אנרגיה, וזה מקטין את היעילות הכוללת של תחנה שעובדת בשיטת אוקסידלק. בעיה נוספת היא ייצורם של מזהמים שלא מכילים חנקן, כמו גופרית דו-חמצנית, שאותם צריך לסלק לאחר שריפת הדלק.

המבנה הכללי של תחנת הכוח הגרמנית Schwarze Pumpe, הראשונה בעולם שעובדת בשיטת אוקסידלק. האוויר מופרד לחמצן וחנקן, והפחם נשרף בעזרת חמצן נקי שמוזרם לתא הבעירה. השריפה נועדה לחימום מים והפיכתם לקיטור, וזאת לטובת התעשייה המקומית. גז הפליטה עובר סינון להרחקת מזהמים, והפחמן הדו-חמצני הנותר אמור להידחס עד שיהפוך לנוזל. הנוזל יוטמן מתחת לפני הקרקע. 

אם רוצים לעשות את זה כמו שצריך, רצוי שלא לפלוט את הפחמן הדו-חמצני לאוויר על מנת שלא להגביר את אפקט החממה. ניתן לאסוף את הגז הזה ולהעביר אותו לתעשייה שזקוקה לו או להזרים אותו לחוות לגידול אצות שמהם יפיקו אחר כך ביודלק. האצות, כמו צמחים ירוקים אחרים, משתמשות בפחמן דו-חמצני בתהליך הפוטוסינתזה (הטמעה). אפשרות אחרת היא לאסוף את הפחמן הדו-חמצני, לדחוס אותו עד שיהפוך לנוזל ולקבור אותו מתחת לפני האדמה. זאת הייתה התוכנית בעת הקמת תחנת הכוח הראשונה בעולם שפועלת בשיטת אוקסידלק - שוורצה פומפה (Schwarze Pumpe) שבגרמניה. מדובר בתחנה בעלת הספק של 30 מגה ואט ששורפת פחם ומייצרת קיטור לשימוש התעשייה המקומית. התחנה הוקמה בשנים האחרונות ועובדת בצורה טובה, חוץ מבעיה אחת - נכון להיום הם לא מטמינים מתחת לפני האדמה את הפחמן הדו-חמצני שנאסף. לכן, מרבית הפחמן הדו-חמצני בכל זאת נפלט לאטמוספרה, וייקח זמן עד שיימצא הפתרון הביורוקרטי שיאפשר הטמנת פחמן דו-חמצני נוזלי במקומות המתאימים. חבל.

תחנת הכוח Schwarze Pumpe. שריפת הפחם בעזרת חמצן וללא חנקן מתבצעת במבנה (1) והרחקת מזהמים כמו גופרית דו-חמצנית מתבצעת במבנה (2). במבנה (3) עוברים אדי המים עיבוי והפחמן הדו-חמצני אמור להידחס על מנת שיהפוך לנוזל שאותו ניתן יהיה להטמין מתחת לפני הקרקע.

מקורות לתמונות: חברת האנרגיה השבדית Vattenfall שמפעילה את תחנת הכוח Schwarze Pumpe.

התחממות עולמית

לעתים איש חינוך נמצא במצב בעייתי בפני תלמידים, למשל כשיש מספר גישות של חוקרים או כשמדובר בנושא שהפך לסוגייה ציבורית. אני נתקל בבעיה כזו כשאני מעביר פעילות לתלמידי תיכון העוסקת בהתחממות העולמית (התחממות גלובלית) ובאנרגיה חלופית, שאותה פיתחתי יחד עם אשתי ג'ודי. הדרך שבה אני מתמודד עם הבעיה היא הצגת הגישות השונות, הדגשת הגישות המקובלות יותר, והפרדה בין אספקטים מדעיים לאספקטים פוליטיים. אם מתעורר דיון או ויכוח לגבי הגישות השונות אני מציג גם את דעתי האישית, מעין גילוי נאות כלפי התלמידים.

אין ויכוח בדבר ההתחממות העולמית עצמה: הטמפ' הממוצעת על פני כדור הארץ עלתה במהלך 100 השנים האחרונות ב-0.74 מעלות צלזיוס. הוויכוח הוא בכל הנוגע לסיבות לאותה התחממות. בוויכוח הזה קיימת כיום גישה מקובלת שאותה מציג הפאנל הבינלאומי העוסק בשינויי האקלים (IPCC). ה-IPCC הגיע למסקנה שמאז אמצע המאה ה-20 הגורם העיקרי להתחממות הוא עליית ריכוז גזי החממה באטמוספרה הנובעת מפעילות אנושית. מסקנה זו מקובלת על מרבית החוקרים והיא אומצה על ידי גופים מדעיים ברחבי העולם.

למעשה, אין ויכוח גם בדבר העלייה המשמעותית בריכוז גזי החממה באטמוספרה, דוגמת פחמן דו-חמצני ומתאן, מאז אמצע המאה העשרים, ואפילו המנגנון של השפעת עליית הריכוז על ההתחממות מובן - זהו אפקט החממה. אגב, אפקט החממה אינו קשור לאופן פעולת חממה חקלאית, שבה הקרקע מתחממת, וכתוצאה מכך האוויר מתחמם ועולה מעלה. לאוויר החם אין דרך לצאת מהחממה ולכן הטמפרטורה בתוכה נשארת גבוהה. אפקט החממה פועל בדרך אחרת: השמש מחממת את כדור הארץ, והוא, כמו כל עצם אחר, פולט קרינה בהתאם לטמפרטורה שלו. גזי החממה והעננים באטמוספרה בולעים את מרבית הקרינה התת-אדומה שפולט כדור הארץ, ופולטים בתורם קרינה תת-אדומה לכל הכיוונים. כלומר יש כאן שכבת גזים שמבצעת מעין החזרה חלקית של קרינה תת-אדומה כלפי כדור הארץ, ובשל כך כדור הארץ מתחמם.

בנוסף לכך, די ברור שהעלייה בריכוז גזי חממה מסוימים קשורה לפעילות האדם. עד כמה שאני יודע, אין תהליכים טבעיים שיכולים להסביר עלייה כה גדולה. בכל הנוגע לעליית ריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה הסיבה העיקרית היא שרפת דלקים. הוויכוח בכל הנוגע להתחממות העולמית קשור למציאת האשם העיקרי. ברור שגזי החממה משפיעים, אך השאלה היא עד כמה? והאם הם האשמים המרכזיים? מבין החשודים הנוספים, השניים שיש להם פוטנציאל גבוה במיוחד לגרום לשינוי טמפרטורה הם הרי געש וכמובן - השמש עצמה. פעילות מוגברת של הרי געש משחררת חלקיקים לאטמוספרה שמקטינים את עוצמת קרינת השמש שמגיעה לקרקע, כלומר היא גורמת להתקררות. לפי הנתונים הנוכחיים, מאז אמצע המאה העשרים הייתה פעילות מוגברת של הרי געש, כלומר אם הם היו הגורם היחיד - הייתה אמורה להתרחש דווקא התקררות. ומה לגבי עוצמת קרינת השמש? כאן הנתונים מצביעים על עלייה בעוצמה במאה השנים האחרונות, אך לא בכמות כזו שתוכל להסביר את ההתחממות כולה. לסיכום, ה-IPCC טוען שמבין שלושת הגורמים האפשריים: עליית ריכוז גזי החממה, עלייה בעוצמת קרינת השמש ופעילות מופחתת של הרי געש, הגורם הראשון הוא היחיד שיכול להסביר את עליית הטמפרטורה שנמדדה.

לא כל החוקרים מסכימים עם המסקנות, ויש כאלו שמנסים להראות שפעילות השמש התגברה באופן ניכר בתקופה האחרונה או שקיים מנגנון אחר שאחראי להתחממות. קראתי הרבה בנושא, הן את דוחות ה-IPCC והן מאמרים של מתנגדים, ודעתי האישית היא שהנתונים הנוכחיים מצביעים על כך שהאדם אחראי למרבית ההתחממות. לא השתכנעתי שיש גורם אחר שיש לו השפעה מספיק חזקה עד כדי כך שהוא יכול להסביר את ההתחממות שנצפתה. יחד עם זאת, אני מסכים שיש חשיבות רבה להמשך איסוף הנתונים ולהבנה טובה יותר של התהליכים המורכבים המשפיעים על האקלים.

האם שימוש בחמצן טהור מסוכן לגוף?

חוב שאני חייב לשרון בריזינוב, קורא ותיק של "מדע פשוט". שרון שואל:

האם שימוש ממושך ב-100% חמצן מסוכן למערכות הגוף? אם כן למה?

התשובה היא שנשימה של חמצן טהור אינה מסוכנת, ולראיה זה הטיפול המקובל בבתי חולים במקרה של קושי נשימתי חמור. עם זאת, יש כיום ביקורת על השימוש בחמצן טהור כטיפול לבעיות נשימה. התברר במחקר משנת 2007 שבעצם לחמצן טהור עלולה להיות השפעה הפוכה. בדיקת fMRI הראתה שהוא מעורר פעילות יתר במספר חלקים במוח, פעילות שגורמת להיפותלמוס להפריש כמות גדולה של הורמונים לדם. ההורמונים הללו דווקא פוגעים ביכולת הלב להזרים דם לגוף. על כן, החוקרים מציעים שימוש בתערובת של 5% פחמן דו-חמצני ו-95% חמצן.

 

אגב, חמצן עלול להיות מסוכן אם הלחץ שלו גבוה. נשימה של חמצן בלחץ של יותר מ-1.6 אטמוספירות עלולה לגרום למוות. למצב הזה קוראים הרעלת חמצן. הנזק יכול להתבטא במספר אופנים: נזק למערכת העצבים המרכזית, לריאות ולעיניים. האוויר מכיל כ-21% חמצן, כלומר הלחץ החלקי של החמצן הוא כחמישית אטמוספירה, וזה אומר, כצפוי, שהחמצן באוויר אינו מסוכן בכל הנוגע להרעלת חמצן. גם חמצן טהור אינו מסוכן בהיבט זה משום שהוא מכיל חמצן בלחץ של אטמוספירה אחת. לעומת זאת, נשימה ישירות מבלון של חמצן דחוס עלולה להיות קטלנית.
הנושא של הרעלת חמצן נלקח בחשבון, כמובן, בספורט הצלילה. עם הירידה לעומק גדל הלחץ של הגז הנכנס מהבלון לגוף, ולכן לכל סוג של בלון מוגדר עומק צלילה מקסימלי. כך למשל, שימוש בבלון שמכיל חמצן טהור מותר עד לעומק של שישה מטרים בלבד. לעומת זאת, בלון ניטרוקס-36 שמכיל 36% חמצן (מבחינת נפח) והיתר חנקן בטיחותי לשימוש עד לעומק של 29 מטר, משום שבעומק רב יותר הלחץ החלקי של החמצן גדול מ-1.4 אטמוספירות וקיימת סכנה של הרעלת חמצן. מי שרוצה לצלול עמוק יותר צריך להשתמש בתערובת שמכילה פחות חמצן, אבל כעת מתחילה להתעורר בעיה נוספת - הרעלת חנקן. לכן עדיף להשתמש בתערובת אחרת שמכילה הליום במקום חנקן. תערובת זו קרויה טרימיקס אם היא מכילה חמצן, חנקן והליום או הליוקס במקרה שכל החנקן הוחלף בהליום. הורדת כמות החמצן בתערובת מאפשרת ירידה לעומק רב עוד יותר - אפילו יותר מ-100 מטר, אבל כל זה מחייב כמובן אימון מיוחד.

בכל אופן, למי שבריא ולא נמצא כעת בצלילה אין סיבה לנשום אוויר מועשר בחמצן. בהקשר זה, הטרנד החדש של טיפול בחמצן, המוכר גם בשם בר חמצן, הוא בעיני בזבוז כסף, ותו לא. משהו כמו בקבוק אוויר בשקל:

האם אכילת גיר מעלה את החום?

לא יודע אם זה קשור לפתיחת שנת הלימודים, אבל אתמול קיבלתי במייל שאלה שהחזירה אותי לימי בית הספר:

האם אכילה של גיר יכולה להעלות את החום שלי לכמה שעות?

בעצם, גם בצבא שמעתי שגיר מעלה את טמפרטורת הגוף, אבל לא זכור לי שראיתי מישהו בודק את זה וממש אוכל גיר בשביל להוציא גימלים. אני די משוכנע שזה מיתוס, ולו משום שאני לא רואה סיבה לכך שגיר יעלה את טמפרטורת הגוף. זה נראה לי ממש לא הגיוני. גיר עשוי מקירטון שמכיל סידן או מגבס שמכיל סידן וגפרית. הגוף לא זקוק לכמות גדולה של החומרים הללו, ולכן אכילה של גיר אינה בריאה. מה עוד שבתהליך הייצור של גיר אין הקפדה על ההרכב המדויק, וכמויות קטנות של חומרים נוספים, בחלקם רעילים, עלולות להיכנס לתוך המוצר הסופי. אבל גם אם זה לא בריא, אני לא רואה סיבה לעליית חום, שקשורה בדרך כלל למחלות זיהומיות. אם כבר, הייתי מצפה שאכילת כמות גדולה של גיר בבת אחת תגרום להקאה, ואכילה מתמדת לאורך זמן תגרום להרעלה.

מתברר שבכל זאת יש אנשים שאוכלים גיר, מסיבות אחרות. לתופעה הזו של אכילת חומרים בלתי-אכילים קוראים תסמונת פיקה, והיא עלולה להיות מסוכנת במקרים מסוימים. מדובר בתופעה לא כל כך נדירה, אבל הסיבה המדויקת טרם התגלתה - ייתכן שהיא נובעת ממחסור במינרלים וייתכן שמדובר בהפרעה פסיכולוגית, כלומר צורה של התנהגות כפייתית הנובעת ממחשבות טורדניות. בעבר נטו לחשוב שתסמונת פיקה נובעת רק ממחסור במינרלים, אבל בשנים האחרונות הגישה השתנתה בעקבות מספר מקרים שבהם טיפול בעזרת תרופות פסיכיאטריות בחולי תסמונת פיקה הצליח, כמו במקרה של נערה באתיופיה שנהגה לאכול במשך שנים את קיר ביתה העשוי מבוץ. בעקבות כך, חושבים כיום שלפחות בחלק מהמקרים התסמונת אכן מהווה צורה של הפרעה טורדנית-כפייתית.

דרך אגב, המאכל הלא-אכיל הנפוץ ביותר בקרב הלוקים בתסמונת פיקה הוא אדמה, ונשים בהיריון לוקות בתסמונת יותר ממבוגרים אחרים (בערך אחת מתוך שתים עשרה נשים בהיריון). מעניין מה הסיבה לכך? נקודה מעניינת נוספת היא שאחוז הלוקים בתסמונת פיקה גבוה יותר, ככל הנראה, במדינות לא מפותחות, וזה מצביע דווקא על מחסור במינרלים כסיבה אפשרית.

מה מחזיק את האקסוספירה?

שאלה נוספת של שרון בריזינוב, קורא של הבלוג:

מה גורם לגזים בשכבות האקסוספירה להישאר צמודים לכדור הארץ? למה הגזים בשכבות אלו לא מתפשטים לעבר החלל ?

האקסוספירה, שמתחילה בגובה של כ-500 ק"מ, היא השכבה החיצונית של האטמוספירה. זאת שכבה דלילה של חלקיקים ומולקולות ששייכים לאטמוספירה, כלומר הם מוחזקים על ידי כוחות שמקורם בכדור הארץ. קשה להגדיר במדויק את הגבול בין האקסוספירה ובין החלל החיצון - מדובר על סדר גודל של עשרות אלפי ק"מ מפני כדור הארץ, כלומר זו שכבה עבה ביותר.

חללית אספקה שעזבה את תחנת החלל הבינלאומית. צבען של השכבות התחתונות של האטמוספירה הוא כחול, ואילו השכבות העליונות כולל האקסוספירה שחורות. תחנת החלל משייטת בתרמוספירה, מתחת לאקסוספירה. מקור לתמונה: NASA.

התשובה לשאלה של שרון היא שהאקסוספירה, כמו שאר חלקי האטמוספירה, לא מתנתקת מכדור הארץ בגלל כוח הכבידה של כדור הארץ שפועל על הגזים באטמוספירה. עקב עקרון ארכימדס (עקרון הציפה), הגזים הקלים, בעיקר מימן והליום, צפים מעלה ומאכלסים את האקסוספירה הדלילה. גזים כבדים יותר שוקעים מטה וממלאים את השכבות הנמוכות של האטמוספירה.

מהירות הבריחה של מולקולות הגז באקסוספירה נמוכה יחסית, מה עוד שכמות המולקולות שם נמוכה ולכן יש מעט התנגשויות. זו הסיבה לכך שמולקולות אכן בורחות בקצב נמוך מהאקסוספירה לחלל החיצון, וזה בעצם ההסבר לכך שכמות המימן וההליום באטמוספירה נמוכה מאוד. בעבר הרחוק של כדור הארץ הכמות שלהם הייתה הרבה יותר גדולה.

עקב הצפיפות הנמוכה של הגז, האקסוספירה לא מפזרת את אור השמש כמו השכבות הנמוכות של האטמוספירה (פיזור ריילי שגורם לשמים להיראות כחולים) ונראית שחורה. אך ניתן לצפות בה בדרך אחרת. אטומי המימן מחזירים אור על-סגול שמקורו בשמש. את התופעה הזו, הקרויה גיאוקורונה (Geocorona), ניתן לראות מהחלל באמצעות מכשור רגיש לאור על-סגול.

תופעות נוספות המתרחשות באקסוספירה קשורות לשדה המגנטי של כדור הארץ, שבכוחו להחזיק חלקיקים טעונים במרחק די גדול מפני כדור הארץ. מקורם של אותם חלקיקים טעונים, בעיקר פרוטונים ואלקטרונים, ברוח השמש וביונוספירה של כדור הארץ (אחת השכבות של האטמוספירה). החלקיקים הטעונים נלכדים באזורים רחבים באקסוספירה הקרויים חגורות קרינה או חגורות ואן אלן. בהקשר זה קיימת חפיפה בין האקסוספירה שמקורה בפעולת הכבידה של כדור הארץ ובין המגנטוספירה שמקורה בשדה המגנטי של כדור הארץ ובאינטראקציה שלו עם רוח השמש.

דנידין המודרני

בילדותי אהבתי לקרוא את ספרי דנידין, הילד הרואה ואינו נראה, וחלמתי להיות כמוהו. שאלה שנשאלתי על ידי אורי, תלמיד י"ב מיבנה, החזירה אותי לאותם זיכרונות. אורי שאל אותי אודות חומרים חדשים שיאפשרו ליצור בגדים שקופים, כאלו שמי לובש אותם הופך לבלתי נראה. הוא התעניין באופן הפעולה של אותם חומרים.

ובכן, מדובר במטא-חומרים (metamaterials; ביוונית: "מטא" = "מעבר ל..."), כינוי לחומרים מלאכותיים בעלי תכונות שאין לחומרים רגילים. ייתכן שבעתיד יהיו סוגים שונים של מטא-חומרים, אך כיום הכוונה היא בדרך כלל לחומרים בעלי מקדם שבירה שלילי. מקדם השבירה קובע את כיוון קרני האור שנעות בתוך החומר יחסית לזווית שבה הן חדרו לתוכו. חומרים בעלי מקדם שבירה שלילי מעקמים את קרני האור בצורה שאינה אפשרית בחומרים רגילים (ראו הערה בסוף). מסלול קרני האור יכול, בעצם, לאפשר לנו לראות מקורות אור שנמצאים מאחור, כלומר ניתן להסוות עצם שמכוסה בשכבה עשויה ממטא-חומר.

מסלול הקרניים כשהאור עובר מחומר עם מקדם שבירה חיובי (חומר 1) לחומר עם מקדם שבירה שלילי (חומר 2)

קרינה אלקטרומגנטית היא שם כולל לספקטרום רחב של גלים, החל מגלי רדיו דרך אור נראה וכלה בקרינת גמא. בכל הקשור לתגובה של חומרים לקרינה אלקטרומגנטית, שני הפרמטרים החשובים הם המקדם הדיאלקטרי (permittivity) והמקדם המגנטי (permeability). המקדם הדיאלקטרי קובע את גודלו ואת כיוונו של השדה החשמלי שנוצר בחומר בתגובה להפעלה של שדה חשמלי חיצוני, והמקדם המגנטי קובע את גודלו ואת כיוונו של השדה המגנטי שנוצר בחומר כשמופעל עליו שדה מגנטי חיצוני. הפיזיקאי הרוסי ויקטור וסלגו הראה ב-1967 שמקדם השבירה של חומר בעל מקדם דיאלקטרי ומקדם מגנטי שליליים יהיה שלילי גם כן. חומרים בעלי מקדם דיאלקטרי שלילי קיימים בטבע, למשל מתכות (כל עוד התדר של הקרינה הפוגעת נמוך מהתחום העל-סגול), אבל בכל הנוגע לחומרים בעל מקדם מגנטי שלילי - חומרים טבעיים כאלו טרם התגלו.

בעשור האחרון הצליחו לייצר באופן מלאכותי מטא-חומרים בעלי מקדם מגנטי שלילי. הדבר התאפשר בזכות ההתקדמות הטכנולוגית, יחד עם כמה רעיונות מבריקים. הרעיון המרכזי שעומד בבסיס החומרים החדשים הוא ייצור של מבנים זעירים שחוזרים על עצמם, למשל לולאות זעירות. הקרינה האלקטרומגנטית גורמת להיווצרות זרם בלולאות, והזרמים בתורם מייצרים שדה מגנטי בתוך החומר. כיוונם של הזרמים נקבע בהתאם לחוק לנץ: השדה המגנטי שהם מייצרים תמיד מנוגד לשדה המגנטי החיצוני. היות שהכיוון הפוך, המקדם המגנטי של החומר שלילי.

לסיום, תחזית אישית: אני סבור שמטא-חומרים יתפסו מקום חשוב בחיינו במהלך חמישים השנים הבאות. פריצת הדרך התאורטית התרחשה לפני 40 שנה על ידי וסלגו ופריצת הדרך הטכנולוגית התרחשה בעשור האחרון. בתחילת העשור היו עדיין ויכוחים לגבי תוצאות הניסויים הראשוניים, אך כיום מהימנות הניסויים ברורה, וזה כבר עניין של פיתוח חומרים יעילים לתדרים שונים. אני משער שכבר בעשור הקרוב ייכנסו לשימוש מוצרים עשויים ממטא-חומרים. אמנם "גלימת הארי פוטר" היא מוצר שייקח זמן מה לפתח אותו, אך שימושים אחרים, הן צבאיים והן אזרחיים, צפויים להופיע כבר בעתיד הקרוב. השימושים הצבאיים יתרכזו בכל הקשור להסוואה בתחומים שונים של ספקטרום הקרינה האלקטרומגנטית, כמו למשל הסוואה של מטוסים מפני מכמי"ם. השימוש האזרחי המבטיח ביותר כרגע הוא עדשת-על (Superlens) - עדשה זעירה בעלת רזולוציה גבוהה במיוחד שצפוי לה שימוש נרחב מאוד בכל ענפי מדעי הטבע והטכנולוגיה.

הערה: חוק סנל מסביר מדוע חומר בעל מקדם שבירה שלילי גורם לקרן הנשברת להישאר באותו צד של האנך למשטח המגע עם החומר שממנו היא מגיעה.
לפי חוק סנל היחס בין זווית הפגיעה יחסית לאנך לזווית היציאה יחסית לאנך שווה ליחס ההפוך של מקדמי השבירה:

כאשר מקדם השבירה של החומר אליו חודרת הקרן הוא שלילי, מתקבלת זווית שלילית שהמשמעות שלה היא שהקרן נשארת באותו צד של האנך.