המים שאנו שותים

שיחת טלפון אמיתית מאתמול בערב:

הוא: יש לי הצעה שלא תוכל לסרב לה.
אני: כן, אני רוצה לשמוע.
הוא (מופתע): אז, ככה. אתה מקבל את העיתון הנפוץ במדינה במשך שלושה חודשים בחינם ללא התחייבות. איך זה נשמע לך?
אני: מצטער, לא אוהב את העיתון ובכלל למי יש זמן לעיתונים.
הוא: טוב, אז בדיוק בשבילך יש לי משהו אחר.
אני: כן, מה?
הוא (לא מאמין שאני עדיין על הקו): מתקן מים מינרליים זכים וצלולים לשלושה חודשים בחינם וללא התחייבות.
אני: אני שותה מים מהברז.
הוא: מה???? זה מסוכן... יש בזה אבנית.
אני: תשמע, זה מינרלים, דווקא טוב לגוף.
(אשתי עוד לא מבינה אם אני מדבר עם חבר או עם איש מכירות בטלפון)
הוא: לא שמעת שאתמול מת מישהו ששתה מים מהברז.
(אני שותק)
(שנינו מתחילים לצחוק בטירוף)
הוא: טוב, תודה אחי. שיהיה לך ערב טוב.
(אשתי עדיין לא מבינה עם מי דיברתי)


אני זוכר שפעם התלבטתי אם כדאי לקנות מתקן כזה, אבל למזלי הצטרפתי בתור אסיסטנט לפעילות לתלמידי תיכון שג'ודי פיתחה. באתי בתור מבקר כי ג'ודי רצתה לראות אם יש מה לשפר, אבל כל כך התלהבתי שההערה היחידה הייתה "אולי אפשר להאריך ולעשות עוד ניסויים?"

הרעיון המרכזי של התכנית הוא לעשות בדיקה מיקרוביאלית למים ממקורות שונים. באופן די קונסיסטנטי וצפוי יוצא שמי שלולית מזוהמים יותר בחיידקים מכל היתר ואילו מים מזוקקים נקיים. המאבק בין מי ברז למים מינרליים היה צמוד. לפני כמה שנים מי הברז הובילו בגדול, אבל מאז כנראה עשו משהו עם המים המינרליים וכעת הם שווים פחות או יותר מבחינת כמות חיידקים. דווקא הגיוני שמים מינרליים יהיו עשירים יותר בחיידקים בגלל המגע שלהם עם הקרקע במעיין, ואילו מי ברז כידוע מטופלים בכלור שהורג את החיידקים.

אני מאמין שכעת עושים טיפול כלשהו גם למים המינרליים. אני מנחש שמדובר באחת משתי השיטות הנפוצות לטיהור מים: קרינה אולטרה-סגולה שפוגעת בדנ"א של החיידקים כשהיא גורמת ליצירת קשרים בין בסיסים שונים ומשנה את המבנה של המולקולה, או טיפול בכלור שפוגע בדופן התא של חיידקים ושל מחוללי מחלות נוספים וכנראה פוגע גם בתהליכים פנימיים חיוניים בתוך היצורים החד-תאיים הללו. 

רק להעיר שיש סכנה במי ברז אם הם נשאבו מאזור שבו חדרו מתכות כבדות ושאריות של כימיקלים או תרופות למי התהום. ועדיין אין שום הצדקה למחירים הגבוהים כל כך של בקבוקי המים המינרליים. טוב, אני מודה שגם אני קונה איזו שישיה פעם בחצי שנה, אבל זה רק בשביל לחדש את מלאי הבקבוקים - אני צריך אותם לטיולים ולהדגמות מדע.

סידני לוב

נזכרתי בסידני לוב (Sidney Loeb), אבי שיטת האוסמוזה ההפוכה, כשקראתי מאמר אודות התפלת מים מאת עידן ישראל פייביש שהתפרסם בגיליון 136 של גליליאו (דצמבר 2009). זכיתי להכיר אותו לפני קצת יותר משלוש שנים כשאני וג'ודי התחלנו לכתוב על אנרגיה חלופית עבור גליליאו. המאמר הראשון עסק בשיטה לא כל כך מוכרת של הפקת אנרגיה על ידי ניצול הפרשי מליחות - אנרגיה כחולה.

תאור סכמטי של שיטת PRO להפקת אנרגיה

הרעיון מאחורי שיטת PRO (ראשי תיבות של Pressure retarded osmosis), אחת משתי השיטות של אנרגיה כחולה, הוא זה: נניח שיש לנו מיכל עם שני תאים המופרדים על ידי ממברנה שחדירה רק למים אך לא ליוני מלח (ממברנה חדירה למחצה). אם מכניסים לתא אחד מים מתוקים (בעלי מליחות נמוכה) ולתא השני מי ים (בעלי מליחות גבוהה), מים יעברו מהצד של המים המתוקים וימהלו את מי הים. לתופעה הזו קוראים אוסמוזה, והיא נובעת מהנטייה של תמיסות להשוות ריכוזים באמצעות פעפוע (דיפוזיה) כשהן באות במגע. הפקת האנרגיה נעשית באמצעות ניצול המים שעברו לתא השני לצורך הנעת טורבינה. מדינות עשירות במי נהרות הזורמים לים, כמו נורבגיה, חוקרות אפשרות לייצר אנרגיה בשיטה זו, וייתכן שהשיטה תהיה רלוונטית גם עבור ישראל אם תיכרה תעלת הימים ויתקיים מגע בין מי ים רגילים למי ים המלח. הפרשי המליחות הם הגורם המכריע כאן.

כשהתקדמנו בתחקיר ראינו שם אחד שחוזר שוב ושוב במאמרים המדעיים הנוגעים ליישומים השונים של מתקני אנרגיה כחולה, ולהפתעתנו גילינו שהאיש חי בארץ ועדיין עוסק במדע בגיל 89. זה היה סידני לוב: פרופסור, מהנדס כימיה וממציא מוכשר, שהגה את אחת השיטות של האנרגיה הכחולה, שכלל את השנייה, ולא פחות חשוב - הוא היה הראשון שהצליח ליישם מתקן התפלת מים באמצעות אוסמוזה הפוכה. כיום זו השיטה המועדפת בעולם להתפלת מי ים.

המשותף לאוסמוזה הפוכה ולאוסמוזה רגילה הוא שימוש באותה ממברנה חדירה למחצה, אלא שהפעם ממלאים רק תא אחד במי ים. כשמפעילים לחץ על מי הים, עוברים מים דרך הממברנה לתא השני. המים הללו הם מים מתוקים טובים לשתייה. על מנת ליצור את הלחץ צריך להשקיע הרבה אנרגיה, אבל נראה שאין ברירה - במקומות רבים בעולם, כולל ישראל, מים מותפלים הפכו למצרך הכרחי.

פרופסור סידני לוב בביתו

למזלנו, הצלחנו לקבוע פגישה עם פרופ' סידני לוב, וזכינו לשוחח עמו במשך כמה שעות. זו הייתה חווייה מעשירה ומרתקת עבורי. אני זוכר אותו כאדם צנוע, אדיב וסבלני, בעל שילוב נדיר של גישה הנדסית עם גישה מדעית. מצד אחד היה חשוב לו לספק לנו הסבר מדעי מדויק לכל שאלה ומצד שני הוא התעמק בפרטים הטכניים, שהם בעצם אלו שמאפשרים הפיכת עיקרון מדעי ליישום מוצלח.

סיפור מעניין אחד קשור להמצאה הגדולה שלו - ממברנה חדירה למחצה יעילה במיוחד. הוא ועמיתו ניסו מגוון ממברנות. אחת מהן, עשויה מצלולוז-אצטט, נתנה ביצועים מרשימים בבדיקה הראשונה, אך בבדיקה השנייה הביצועים היו עלובים. הם המשיכו לחקור וגילו ששני הצדדים שלה שונים ויש חשיבות לכיוון שבו שמים את הממברנה: הצד הדק צריך להיות מופנה כלפי התא שממנו עוברים המים לצד השני. "לפעמים אני תוהה אם היינו ממשיכים לבדוק ממברנה זו, אילו הניסוי הראשון שלה היה נכשל", אמר לנו פרופ' לוב כשפגשנו אותו.

אני מביא כאן קטע מהמאמר "אנרגיה כחולה" שהתפרסם בזמנו בגיליון 99 של גליליאו (נובמבר 2006).

את פרופ' לוֹבּ בן ה-89 אנו פוגשים בביתו ביישוב עומר, ליד באר-שבע, בו הוא מתגורר כבר למעלה משלושים שנה. לראשונה הוא הגיע לבאר-שבע בשליחות אונסק"ו, בשנת 1967, על-מנת להקים מפעל התפלה בקיבוץ יטבתה וללמד את טכנולוגיית האוסמוזה ההפוכה בישראל. ההזמנה הייתה לשלושה חודשים, אך לוֹבּ נשאר שלוש שנים, שבסיומן הוא שב לארצות-הברית רק כדי לחזור ולעלות לארץ באופן רשמי. הוא החל לחקור וללמד באוניברסיטת בן-גוריון שזה עתה נוסדה. מתקן האוסמוזה ההפוכה הראשון בישראל להתפלת מי תהום מלוחים אכן הוקם ביטבתה, אם כי בתחילה הקיבוצניקים חששו מהמים המותפלים, ובעצם, הקיבוצניקיות היו אלה שעשו את הצעד הראשון ומצאו שימוש למים הרכים - חפיפת ראש. ותיקי הקיבוץ עוד זוכרים, שכדי לשכנע אותם לנסות וללגום מהמים, הביא פרופ' לוֹבּ את ד"ר ברלין מבית החולים סורוקה, שהצליח להפחיד אותם כהוגן לגבי הנזקים בשתיית מים מלוחים.

פרופ' לוֹבּ מספר שבמשפחתו לא היו מדענים, וגם לו לא היו שאיפות בתחום. הוא סיים לימודי הנדסה כימית באוניברסיטת אילינוי והלך לעבוד בתעשייה הצבאית והאזרחית בקליפורניה. אחרי 16 שנה התעורר בו שוב חיידק הלימודים והוא נרשם ללימודי תואר שני ושלישי באוניברסיטת UCLA. יחד עם שותפו למחקר, סריניווסה סורירג'אן (Sourirajan), שאיתו הוא שומר על קשר עד היום, התוודע סידני לוֹבּ לרעיונות של פרופ' ריד (Reid) מפלורידה, לגבי האפשרות להתפיל מים בעזרת אוסמוזה הפוכה. את פרסומו העולמי קנה לוֹבּ בזכות היישום המוצלח הראשון של השיטה. זה קרה בשנת 1965, בקואלינגה (Coalinga), עיירה קטנה ושכוחת אל בקליפורניה, בה הוקם בשנה זו המפעל המסחרי הראשון להתפלת מים בשיטת האוסמוזה ההפוכה. הוא נזכר בחיוך, שלמבחן המסכם שלו בלימודי הדוקטורט, שנה קודם לכן, ביקשו ממנו הבוחנים להביא שלטים עם שאלות, משום שכבר אז הוא היה המומחה מספר אחד בעולם לאוסמוזה הפוכה.

בעקבות עליית מחירי הנפט, הגה פרופ' לוֹבּ את רעיון האנרגיה הכחולה בשנת 1973. "לקחתי תהליך התפלה שבו משקיעים אנרגיה, ופשוט הפכתי אותו", הוא מסביר. הרעיון המקורי היה להשתמש בהפרשי המליחות בין נהר הירדן לים המלח, ואם לא בישראל אז לפחות בנהר ירדן אחר – זה שנשפך לימת המלח ביוטה. כיום, עשרים שנה מאז פרישתו לגמלאות, הוא ממשיך במחקר תיאורטי של ממברנות ובתכנון מתקני אנרגיה כחולה. "כשהוא עובד על מאמר, סידני לא ישן ולא אוכל כמה ימים" – מתלוננת רעייתו בנושא זה. לפני שש שנים, כאשר ביקר בחברת Statkraft בנורבגיה, קיבל פרופ' לוֹבּ הצעה מפתה לשמש כיועץ בשכר. למרות גילו, הוא סירב להצעה, רק משום שהתבקש לחתום על הסכם סודיות. עם זאת, הוא עדיין שומר על קשר עם הנורבגים ומתעדכן לגבי התקדמות מחקר הממברנות שלהם. הוא אופטימי בקשר לאנרגיה כחולה ומעריך שתוך עשרים שנה היא תחליף שיטות אחרות במדינות חוף שופעות מי נהר.

השנה נסגר מבחינתו מעגל, עת הוענק הפרס הראשון על שמו, בכנס בצרפת. את הפרס יזמה פרופ' מרים בָּלַבַּן, עורכת כתב העת Desalination, אותו כתב-עת שבגיליון הראשון שלו פורסם המאמר המקורי של סידני לוֹבּ על אוסמוזה הפוכה, לפני למעלה מארבעים שנה.

פרופ' סידני לוב נפטר ב-12 בדצמבר 2008, בגיל 92. יהי זכרו ברוך.

קוביות קרח נדבקות ואפקט צ'יריוס

מי שאוהב להוסיף קוביות קרח למשקה בוודאי שם לב שקוביות הקרח נוטות להידבק. קיבלתי מייל מאלה ששואלת למה זה קורה?

מסתבר שההסבר לניסוי הפשוט הזה אינו פשוט כלל.

כשמכניסים שתי קוביות קרח לכוס מים רואים שהקוביות נעות לכיוונים שונים באופן אקראי, אבל אם הקוביות התקרבו זו לזו, הן מתחילות "להימשך" עד שהן מתנגשות ונצמדות האחת לשנייה. המשיכה נובעת ממתח הפנים של המים. מתח הפנים גורם לפני השטח של המים להתנהג כמו משטח גמיש. אם לוחצים עליו בעדינות או מושכים אותו מלמטה הוא שוקע מעט, ואם מושכים אותו מעלה הוא נמתח ויוצר גבעה. גורם נוסף שמשפיע על צורת פני המים ליד עצם שצף על המים הוא מידת המשיכה בין מולקולות המים לאותו עצם (אדהזיה), אבל הצפיפות של העצם היא הגורם המשפיע יותר. אם העצם צף בזכות הצפיפות הנמוכה שלו הוא ימשוך את המים מעלה ותיווצר גבעה של מים סמוך לקו המגע עם העצם, ואם הוא צפוף מהמים וצף רק בזכות מתח הפנים של המים ייווצר שקע סמוך לקו המגע (למשל כשמצליחים לשים נעץ על פני המים).

קוביית קרח במים. רואים את הגבעה שנוצרת בקו המגע בין הקרח לפני המים. מקור: 123rf

קוביות קרח פחות צפופות מהמים, לכן הן יוצרות מעין גבעה סמוך לקו המגע שלהן עם פני המים. קוביות קרח שמתקרבות זו לזו מטפסות במעלה הגבעה הזו עד שהן נצמדות. זה בדיוק מה שקורה בכוס מלאה בדגני בוקר שצפים על פני החלב. יחידות קורנפלקס שקרובות זו לזו ממש נמשכות. קוראים לתופעה "אפקט צ'יריוס".

כעת מתחיל השלב השני: שכבת המים הדקה בין שתי קוביות הקרח מבודדת משאר המים בכוס, ולכן היא מתחילה לקפוא. במילים אחרות, הקור של הקרח גורם לאותה שכבה לקפוא כשאין לה מגע עם המים החמים יחסית בכוס. שכבת המים בין הקוביות שקפאה והפכה לקרח גורמת להן ממש להידבק זו לזו. ניתן לנסות את זה עם שתי קוביות קרח מחוץ למים. מחוץ למקפיא קוביות הקרח מתחילות להפשיר. זו הסיבה לכך שקוביות קרח חלקות למגע. כשמצמידים את הקוביות חזק הן נדבקות משום ששכבת המים ביניהן מבודדת מהאוויר וקופאת.

דרך אגב, איגלו בנוי על אותו עיקרון - המים בין לבני השלג קופאים והלבנים נדבקות זו לזו. בזכות ההדבקה הזו (ובזכות המבנה דמוי הכיפה) האיגלו הוא מבנה יציב ושימושי גם בתנאי מזג אוויר קשים.